計算機(jī)組成原理課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　1.題目：</b></p><p>　　基本模型機(jī)的設(shè)計——不帶進(jìn)位與或運算指令的實現(xiàn)</p><p>　　2.設(shè)計的目的及設(shè)計原理</p><p><b>　　2.1設(shè)計的目的</b></

2、p><p>　　運用所學(xué)的知識，通過使用軟件HKCPT掌握各個單元模塊的工作原理將其組成完整的系統(tǒng)，并了解程序編譯、加載的過程，以及通過微單步、單拍調(diào)試?yán)斫饽Ｐ蜋C(jī)中的數(shù)據(jù)流向。本實驗主要是設(shè)計不帶進(jìn)位與或運算指令的實現(xiàn)，將匯編語言程序設(shè)計，數(shù)字邏輯與或運算原理以及計算機(jī)組成原理3方面的知識結(jié)合到一起利用此軟件平臺實現(xiàn)連續(xù)幾個數(shù)的不帶進(jìn)位的與或運算，從而了解邏輯運算運算單元的運行過程。</p><p

3、><b>　　2.2設(shè)計的原理</b></p><p>　　2.2.1計算機(jī)中CPU是核心，它是通過指令和微指令的執(zhí)行來工作的。指令</p><p>　　是計算機(jī)要完成的某一項功能。它對應(yīng)到執(zhí)行的過程中是一段微程序。一</p><p>　　段微程序含多條為指令，而一條微指令又含多個微命令。一個微命令驅(qū)動</p><p&

4、gt;　　某個硬件部件執(zhí)行某種操作。通過這樣一個關(guān)系，從而達(dá)到由計算機(jī)指令</p><p>　　來驅(qū)動計算機(jī)各個硬部件的協(xié)調(diào)工作以實現(xiàn)一條指令的執(zhí)行。</p><p>　　2.2.2在各個模塊中，各模塊的控制的控制信號都是手動模擬產(chǎn)生的。而在真</p><p>　　正的實驗系統(tǒng)中，模型機(jī)的運行是在微程序的控制下，實現(xiàn)特定指令的功能。在本實驗平臺中，模型機(jī)從內(nèi)存中取出

5、、解釋、執(zhí)行機(jī)器指令都將由微指令和之相配合的時序來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序。</p><p>　　3.模型機(jī)的邏輯框圖</p><p>　　其中運算器由2片74L181構(gòu)成8位字長的ALU單元。2片74LS374作為2個數(shù)據(jù)鎖存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作為數(shù)據(jù)輸入端，可通過短8芯扁平電纜，把數(shù)據(jù)輸入端連接到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)輸入鎖存器DR1的EDR1為低電平，并且

6、D1CK有上升沿時，那來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入鎖存器DR1。同樣使EDR2為低電平、D2CK有上升沿時把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)鎖存器DR2。</p><p>　　4.指令系統(tǒng)及其指令格式</p><p><b>　　4.1指令系統(tǒng)</b></p><p>　　此次實驗涉及的指令有以下幾種：</p><p>　　MOV A

7、，RI 將寄存器RI中的數(shù)據(jù)傳遞到累加器A中</p><p>　　MOV RI，A 將累加器A中的數(shù)據(jù)傳遞到寄存器RI中</p><p>　　MOV A, #data 將立即數(shù)傳遞到通用寄存器A中</p><p>　　ORL A，#data 邏輯或指令</p><p>　　ANL A，#data 邏輯與指令</p><

8、p>　　STA addr 將寄存器中內(nèi)容寫入存儲器中</p><p>　　HALT 停機(jī)指令</p><p><b>　　指令系統(tǒng)如下表：</b></p><p><b>　　4.2指令格式</b></p><p>　　一般指令由操作碼和操作碼組成，如下所示：</p

9、><p>　　此實驗所涉及指令的格式如下：</p><p>　　MOV指令采用雙字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　MOV指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　MOV指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　ORL邏輯或指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： </p><p

10、>　　ANL邏輯與指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： </p><p>　　STA取數(shù)據(jù)指令，其格式如下：</p><p>　　停機(jī)指令（HALT），其格式如下：</p><p>　　5.微程序的設(shè)計及其實現(xiàn)的方法</p><p>　　5.1 微程序入口地址的形成</p><p>　　在本實驗平臺的硬件設(shè)計是采用的

11、24位微指令，若微指令采用全水平不編碼純控制場的格式，那么至多可有24個微操作控制信號，可由微代碼直接實現(xiàn)。若采用多組編碼譯碼，那么24位的微代碼通過二進(jìn)制譯碼可實現(xiàn)2n個互斥的微操作控制信號。由于模型機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模較小，功能也不太復(fù)雜，所以采用全水平不編碼純控制場的微指令格式。在模型機(jī)中，用指令操作碼的高4位作為核心擴(kuò)展成8位的微程序入口地址MD0-MD7。這種方法稱為“按操作碼散轉(zhuǎn)”（如下表所示）。</p><p

12、><b>　　按操作碼散轉(zhuǎn)</b></p><p>　　此次實驗程序中的微程序指令如下表：</p><p>　　5.2微指令格式的設(shè)計</p><p>　　一條微指令的一般格式是如下圖：</p><p>　　5.3后續(xù)微地址的產(chǎn)生方法</p><p>　　由于本系統(tǒng)中指令系統(tǒng)規(guī)模不大，功能較

13、簡單，微指令采用全水平、不編碼的方式，每一個微操作控制信號由一位微代碼來表示，24位微代碼至少可表示24個不同的微操作控制信號。用增量方式來控制微代碼的運行順序，每一條指令的微程序連續(xù)存放在微指令存儲器連續(xù)的單元中。在本系統(tǒng)內(nèi)，MLD為置微地址的控制信號，MCK為工作脈沖。當(dāng)MLD=0、MCK有上沿時，把MD0~MD7的值作為微程序的地址，打入微地址寄存器。當(dāng)MLD=1、MCK有上升沿時，微地址計數(shù)器自動加1。</p>&

14、lt;p><b>　　6.時序安排</b></p><p>　　由于模型機(jī)已經(jīng)確定了指令系統(tǒng)，微指令采用全水平不編碼純控制場的格式，微程序的入口地址采用操作碼散轉(zhuǎn)方式，微地址采用計數(shù)增量方式，所以可確定模型機(jī)中時序單元中所產(chǎn)生的每一拍的作用。為了更好地觀察實驗的各個中間過程中各寄存器的值，由監(jiān)控單元產(chǎn)生一個PLS-O的信號來控制時序產(chǎn)生。PLS-O信號經(jīng)過時序單元的處理產(chǎn)生了4個脈沖信

15、號。4個脈沖信號組成一個微周期，為不同的寄存器提供工作脈沖。</p><p>　　PLS1： 微地址寄存器的工作脈沖，用來設(shè)置微程序的首地址及微地址加1。</p><p>　　PLS2： PC計數(shù)器的工作脈沖，根據(jù)微指令的控制實現(xiàn)PC計數(shù)器加1和重置PC計數(shù)器（如跳轉(zhuǎn)指令）等功能。</p><p>　　PLS3： 把24位微指令打入3片微指令鎖存器</p>

16、;<p>　　PLS4： 把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入微指令選通的寄存器</p><p><b>　　7.指令執(zhí)行流程</b></p><p>　　在每個系統(tǒng)中，一條指令從內(nèi)存取出到執(zhí)行完畢，需要若干個機(jī)器周期，任何指令中都必須有一個機(jī)器周期作為“取指令周期”，稱為公操作周期。而一條指令共需幾個機(jī)器周期取決于指令在機(jī)器內(nèi)實現(xiàn)的復(fù)雜程度。</p>

17、<p>　　對于微程序控制的計算機(jī)，在設(shè)計指令執(zhí)行流程時，要保證每條微指令所含的微操作的必要性和合理性，還應(yīng)知道總線的IAB，IDB，OAB，ODB僅是傳輸信息的通路，沒有寄存信息的功能，而且必須保證總線傳輸信息時信息的唯一性。</p><p>　　以下描述取微指令執(zhí)行周期：</p><p>　　在模型機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時，模型機(jī)的微地址寄存器被清零，微指令鎖存器輸出無效。在處于停機(jī)

18、狀態(tài)時，脈沖PLS1對微地址寄存器（74LS161）無效，微地址寄存器保持為零。脈沖PLS2對PC計數(shù)器無效，同時PLS2把HALT=1打入啟停單元中的運行狀態(tài)寄存器（74LS74）中，把模型機(jī)置為運行狀態(tài)，使微程序鎖存器輸出有效。PLS3把微程序儲存器00H單元中的內(nèi)容打入指令寄存器中。</p><p>　　在模型機(jī)處于運行狀態(tài)時，脈沖PLS1將微地址寄存器（74LS161）加一，脈沖PLS2將PC計數(shù)器加1，

19、PLS3把微程序存儲器中的微指令打入微指令鎖存器并且輸出。PLS4把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入當(dāng)前微指令所選通的寄存器。</p><p>　　對于此次實驗每條指令的執(zhí)行流程如下：</p><p>　　8. 源程序,程序的指令代碼及微程序</p><p><b>　　8.1源程序</b></p><p>　　MOV A，#44

20、</p><p>　　ORL A，#25</p><p><b>　　MOV R0，A</b></p><p><b>　　MOV A，R0</b></p><p>　　ANL A，#56</p><p><b>　　MOV R1，A</b>

21、;</p><p><b>　　STA 10</b></p><p><b>　　HALT</b></p><p>　　該程序的功能是計算先將16進(jìn)制數(shù)44與25進(jìn)行邏輯或運算，結(jié)果放入R0；再將結(jié)果與56進(jìn)行邏輯與運算，結(jié)果放入R1。并且A的值放入addr。</p><p>　　8.2程序的指

22、令代碼</p><p><b>　　8.3微程序</b></p><p>　　MOV A，#44 : 0000[4D],[FF],[FF] 取指指令 </p><p>　　0017[DD],[FB],[FF] Dbus→A </p><p>　　ORL A，#25: 0018[4D],[FF],[F

23、F] 取指指令 </p><p>　　0033[FF],[FC],[FE] A→Dbus→DR1</p><p>　　0034[DD],[FF],[7E] RAM→Dbus→DR2</p><p>　　0035[FF],[FB],[BE] ALU→A</p><p>　　MOV R0，A : 0036[4D],[FE],[F

24、F] 取指指令</p><p>　　0013[FF],[BD],[FF] A→Dbus→RI</p><p>　　MOV A，R0 : 0014[4D],[FF],[FF] 取指指令</p><p>　　000F[FF],[7B],[FF] RI→Dbus→A</p><p>　　ANL A，#56: 0010[4D]

25、,[FF],[FF] 取指指令</p><p>　　0037[FF][FC][FB] A→Dbus→DR1</p><p>　　0038[DD][FF][7B] RAM→Dbus→DR2</p><p>　　0039[FF][FB][BB] ALU→A</p><p>　　MOV R1，A : 003A[4D][FF][

26、FF] 取指指令</p><p>　　0013[FF][BD][FF] A→Dbus→RI</p><p>　　STA 10 : 0014[4D][FF][FF] 取指指令</p><p>　　0023[D5][FF][FF] Dbus→IR2</p><p>　　0024[BB][FD][FF] IR2→D

27、bus; A→Dbus→RAM</p><p>　　HALT : 0025[4D][FF][FF] 取指指令</p><p>　　0003F[FF][DF][FF] 停機(jī)</p><p>　　9.使用軟件HKCPT的聯(lián)機(jī)方式的實現(xiàn)過程</p><p>　　9.1主要指令的時序圖</p><p>

28、;　　44與25進(jìn)行邏輯或運算的時序圖：</p><p>　　上次運算結(jié)果與56進(jìn)行邏輯與運算的的時序圖：</p><p>　　將最終結(jié)果保存到RAM地址的時序圖：</p><p>　　9.2累加器A、寄存器、存儲器的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)流程</p><p>　　第一步:數(shù)據(jù)流程：A->DBUS->DR1</p><

29、;p>　　各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表：</p><p>　　第二步:數(shù)據(jù)流程：RAM->DBUS->DR2</p><p>　　各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表：</p><p>　　第三步:數(shù)據(jù)流程：A->DBUS->DR1</p><p>　　各寄存器數(shù)據(jù)變化如下表：</p><p>　　第四步:停

30、機(jī) 無數(shù)據(jù)流程變化。</p><p><b>　　10.課程設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　在此次計算機(jī)組成原理的課程設(shè)計實驗中，我是利用所學(xué)的計算機(jī)組成原理、匯編語言以及數(shù)字邏輯運算的知識在HKCPT軟件平臺上設(shè)計幾個數(shù)的邏輯與或運算。在一開始設(shè)計代碼時到?jīng)]有遇到多大的問題。但是在編譯完代碼運行后進(jìn)行指令以及微指令分析時，仍然有許多地方?jīng)]弄清楚。比如一條指令

31、對應(yīng)的多個微指令，每條微指令又起到的作用以及每條指令的流程周期變化等等。我此次</p><p>　　設(shè)計的這個實驗由于本身很簡單，因此我也沒有設(shè)計很復(fù)雜的代碼，當(dāng)然也是因為擔(dān)心后面進(jìn)行指令分析等細(xì)節(jié)問題處理時很難下手。不過它依然很明了的反映了不帶進(jìn)位的邏輯與或的運算特點。</p><p>　　通過此次實驗，首先，我更一步熟悉了指令、微指令等等相關(guān)的一些基本知識以及與此次實驗所連接到的其它科

32、目的一些知識；其次，我體會到這次課程設(shè)計實驗是不同與我們之前所做的一些小實驗，它是前面這些小實驗結(jié)合在一起的綜合運用；再次，這次實驗進(jìn)一步加深了我對此實驗平臺的理解和運用，同時也使我了解到了它的漏洞和缺點；然后，此次實驗告訴我，要善于運用所學(xué)的知識運用到實際操作中，加強(qiáng)自己動手動腦的能力，加強(qiáng)獨立思考分析的能力并以此檢驗所學(xué)知識的牢固、扎實；最后，此次實驗提醒我，知識的缺乏和漏洞以及運用知識實現(xiàn)真正需求的問題總是存在的，因此，我必需在以