計算機組成原理課程設(shè)計---基本模型機的存儲器邏輯框圖設(shè)計

1、<p><b>　　第1章 設(shè)計分析</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計題目</b></p><p>　　基本模型機的存儲器邏輯框圖設(shè)計</p><p><b>　　1.2設(shè)計目的</b></p><p>　　1.鞏固和加深所學(xué)的硬件系統(tǒng)知識，學(xué)習(xí)和掌握硬

2、件系統(tǒng)的設(shè)計方法。</p><p>　　2.掌握計算機各模塊的原理和相互關(guān)系,建立計算機整機概念。</p><p>　　3.利用基本模型機的構(gòu)建與調(diào)試，完整地建立計算機硬件的整機模型，掌握CPU的基本結(jié)構(gòu)和控制流程，掌握指令執(zhí)行的基本過程。</p><p>　　4.掌握計算機功能模塊的原理和關(guān)系,建立計算機整機概念。在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)

3、，構(gòu)造一臺基本模型計算機。為其定義五條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機調(diào)試掌握整機概念</p><p>　　1.3設(shè)計環(huán)境和工具</p><p>　　TDN-CM組成原理實驗系統(tǒng),排線若干和PC微機一臺</p><p><b>　　1.4 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　1.掌握CISC微控制器功能與微指令格

4、式</p><p>　　2.設(shè)計五條機器指令,并編寫對應(yīng)的微程序</p><p>　　3.在TDN-CM+教學(xué)實驗系統(tǒng)中調(diào)試機器指令程序,確認(rèn)運行結(jié)果</p><p><b>　　1.5 設(shè)計要求</b></p><p>　　1.掌握實驗系統(tǒng)的熟練操作</p><p>　　2.完成模型機的實驗線路

5、連接</p><p>　　3.調(diào)試模型機，并記錄下實驗結(jié)果</p><p><b>　　第2章 概要設(shè)計</b></p><p>　　部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次課程設(shè)計將在微程序控制下自動產(chǎn)生各個部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。</p><p>　　這本次課程設(shè)計里，計算機數(shù)據(jù)通路

6、的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一段微程序。而微程序由設(shè)計者自己寫入微控制存儲器中或者聯(lián)機讀入程序。</p><p>　　2.1 機器指令定義</p><p>　　本次采用五條機器指令：IN(輸入)，ADD(二進(jìn)制加法)，STA(存數(shù))，OUT(輸出)，JMP(無條件轉(zhuǎn)移)。其指令格式如下(前

7、4位為操作碼)：</p><p>　　助記符 機器指令碼 說明</p><p>　　IN 00000000 “INPUT DEVICE”中的開關(guān)狀態(tài) → R0</p><p>　　ADD addr 0001 0000 ×××××××× R

8、0+[addr] → R0</p><p>　　STA addr 0010 0000 ×××××××× R0 → [addr]</p><p>　　OUT addr 0011 0000 ×××××××× [a

9、ddr] → LED</p><p>　　JMP addr 0100 0000 ×××××××× addr → PC</p><p>　　其中IN為單字長(8位)，其余為雙字長指令，××××××××為addr對應(yīng)的二進(jìn)

10、制地址碼。</p><p>　　為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計三個控制臺操作微程序：</p><p>　　* 存儲器讀操作(KRD)：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“0 0”時，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。</p><p>　　* 存儲器寫操作(KWE)：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺

11、開關(guān)SWB、SWA置為“0 1”時，按START微動開關(guān)可對RAM進(jìn)行連續(xù)手動寫入。</p><p>　　* 啟動程序：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“1 1”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。</p><p>　　上述三條控制臺指令用兩個開關(guān) SWB,SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：</p><p>　　

12、表2.1 控制臺命令</p><p>　　2.2 數(shù)據(jù)通路框圖</p><p>　　圖 2.1 數(shù)據(jù)通路框圖</p><p><b>　　2.3 微代碼定義</b></p><p>　　表2.2 微代碼格式</p><p>　　其中A、B、C 字段的代碼格式如下：</p><p

13、>　　表 2.3 A、B、C字段代碼格式</p><p><b>　　2.4 微程序流程</b></p><p>　　系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖：</p><p>　　圖 2.2 微程序流程圖1</p><p>　　圖2.3 微程序流程圖2</p><p>　　當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微

14、指令的判別測試字段為P(1)測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1) 的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的前4位(IR7一IR4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元。對于每一指令分別予以微程序解釋。</p><p>　　控制臺操作為P(4)測試，它以控制臺開關(guān)SWB，SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地

15、方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地址為8進(jìn)制。</p><p>　　指令寄存器(IR)：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試[P(1)]，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器” (實驗

16、板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。</p><p>　　2.5 二進(jìn)制微代碼表</p><p>　　表 2.4 二進(jìn)制微代碼表</p><p><b>　　2.6 設(shè)計說明</b></p><p>　　本系統(tǒng)有兩種外部I／O設(shè)備，一

17、種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE)：另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備(OUTPUT DEVICE)。例如：輸入時，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(W／R)有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。</p><p>　　本實驗設(shè)計機器指令程序如下：</p><p>　　地

18、址（二進(jìn)制）機器指令碼 助記符 說 明 </p><p>　　0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE(班號)”→R0 </p><p>　　0000 0001 0001 0000 ADD [0AH],R0 R0+[0AH] →R0 </p><p&

19、gt;　　0000 0010 0000 1010 </p><p>　　0000 0011 0010 0000 STA R0,[0BH] R0→[0BH] </p><p>　　0000 0100 0000 1011 </p><p>　　0000 0

20、101 0011 0000 OUT [0BH] [0BH] →LED </p><p>　　0000 0110 0000 1011 </p><p>　　0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H→ PC </p><p>　　00

21、00 1000 0000 0000 </p><p>　　0000 1001 </p><p>　　0000 1010 0000 1001 學(xué)號(20號同學(xué)) </p><p>　　0000 1011

22、 求和結(jié)果(班號加學(xué)號)</p><p><b>　　第3章 設(shè)計步驟</b></p><p>　　3.1實驗線路連接圖</p><p>　　試驗時按照如下所示電路圖連接:</p><p>　　圖 3.1 設(shè)計接線圖</p><p><b>　　3.2寫程序 </b&g

23、t;</p><p>　　3.2.1 手動寫入</p><p>　　1、先將機器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入2816中，由于在微程序控制實驗中已將微代碼寫入E2PROM芯片中，對照表5校驗正確后就可使用。</p><p>　　2、使用控制臺KWE和KRD微程序進(jìn)行機器指令程序的裝入和檢查。</p><p>　　A.使編程開關(guān)處于“RUN&quo

24、t;，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B．撥動總清開關(guān)CLR(0→1)，微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制臺SWB，SWA開關(guān)置為“01”，按動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動一次START，微地址燈顯示“010100"。此時，數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機器指令，按動兩次START鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀

25、KE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址總清后為零，以后每個循環(huán)PC會自動加1，所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示“010100”時，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。</p><p>　　C．寫完程序后須進(jìn)行校驗。撥動總清開關(guān)CLR(0→1)后，微地址清零。PC程序計數(shù)器清零，然后使控制臺開關(guān)SWB，SWA為“00”，按動啟動START，微地址燈將顯示“010000”；再按START，微地址燈顯示為“

26、010010"；第3次按START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷按動START，以后每個循環(huán)PC會自動加1，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。每次在微地址燈顯示為“010000”時，是將當(dāng)前地址中的機器指令寫入到輸出設(shè)備中顯示。</p><p>　　3.2.2 聯(lián)機讀／寫程序</p><p>　　按照規(guī)定格式，將機器指令及表

27、5微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼為將表5中的24位微代碼按從左到右分成3個8位，將此3個8位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。</p><p><b>　　程 序</b></p><p><b>　　$P4000</b></p><p><b>　　$P4110</

28、b></p><p><b>　　$P420A</b></p><p><b>　　$P4320</b></p><p><b>　　$P440B</b></p><p><b>　　$P4530</b></p><p>&l

29、t;b>　　$P460B</b></p><p><b>　　$P4740</b></p><p><b>　　$P4800</b></p><p><b>　　$P4A01</b></p><p><b>　　微程序 </b><

30、/p><p>　　$M00018110$M0901ED83$M1200A017</p><p>　　$M0101ED82$M0A0IED87 $M13018001</p><p>　　$M0200C048 $M0B01ED8E $M14002018</p><p>　　$M0300E004 $M0

31、C01ED96 $M15070A01</p><p>　　$M0400B005 $N0D028201$M1600D181</p><p>　　$M0501A206 $M0E00E00F$M17070A10</p><p>　　$M06959A01 $M0F00A015$M18068A11</p&g

32、t;<p>　　$M0700E00D $M1001ED92$M18068A11</p><p>　　$M08001001 $M1101ED94</p><p>　　用聯(lián)機軟件的傳送文件功能(F4)將該格式文件傳入實驗系統(tǒng)即可。</p><p><b>　　3.3運行程序</b></p>

33、;<p>　　3.3.1 單步運行程序</p><p>　　A 使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B 撥動總清開關(guān)CLR(0→1)，微地址清零，程序計數(shù)器清零。程序首址為00H。</p><p>　　C 單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流

34、程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　　D 當(dāng)運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元(0BH)中的結(jié)果是否和理論值一致。</p><p>　　3.3.2 連續(xù)運行程序</p><p>　　A 使“STATE UNIT”中的STEP開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)。STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B 撥動CLR開關(guān)，清微地

35、址及程序計數(shù)器，然后按動START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。</p><p>　　C 停機后，可檢查存數(shù)單元(0BH)結(jié)果是否正確。</p><p><b>　　3.4 聯(lián)機運行</b></p><p>　　聯(lián)機運行程序時，進(jìn)入軟件界面，裝在機器指令及微指令后，選擇【運行】-【通路圖】-【復(fù)雜模型機】 功能

36、菜單打開相應(yīng)動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機運行，監(jiān)控，調(diào)試程序。</p><p>　　總清開關(guān)CLR清零(1->0->1)后，將使程序首址及微程序地址為00H，程序可從頭開始運行。</p><p>　　3.4.1 啟動微機步驟</p><p>　?、?微控器編程開關(guān)撥至RUN,“STEP”→STEP,“STOP”→RUN</p>&l

37、t;p>　?、?實驗箱利用COM1口與微機連接，實驗箱加電，啟動微機：</p><p>　　①進(jìn)入安裝實驗系統(tǒng)的目錄，例如D：\CMP；</p><p><b>　?、趯嶒炏鋸?fù)位；</b></p><p>　?、圻\行CMP.EXE，進(jìn)入實驗運行環(huán)境；</p><p>　?、苓xF4：加載\CMP\EX1，完成后ES

38、C鍵退出；</p><p>　　EX1文本文件內(nèi)容如下：</p><p><b>　　機器指令程序</b></p><p><b>　　$P0000</b></p><p><b>　　$P0110</b></p><p><b>　　$P02

39、0A</b></p><p><b>　　$P0320</b></p><p><b>　　$P040B</b></p><p><b>　　$P0530</b></p><p><b>　　$P060B</b></p><

40、p><b>　　$P0740</b></p><p><b>　　$P0800</b></p><p><b>　　$P0A09</b></p><p>　　機器指令對應(yīng)的微程序：</p><p>　　$M00018110</p><p>　　$M

41、0101ED82</p><p>　　$M0200C048</p><p>　　$M0300E004</p><p>　　$M0400B005</p><p>　　$M0501A206</p><p>　　$M06959A01</p><p>　　$M0700E00D </p>

42、<p>　　$M08001001</p><p>　　$M0901ED83</p><p>　　$M0A01ED87</p><p>　　$M0B01ED8E</p><p>　　$M0C01ED96</p><p>　　$M0D028201</p><p>　　$M0E00E00F&

43、lt;/p><p>　　$M0F00A015</p><p>　　$M1001ED92</p><p>　　$M1101ED94</p><p>　　$M1200A017</p><p>　　$M13018001</p><p>　　$M14002018 </p><p

44、>　　$M15070A01</p><p>　　$M1600D181</p><p>　　$M17070A10</p><p>　　$M18068A11</p><p>　　⑤選F2：鍵入地址0AH，將0AH內(nèi)容改為學(xué)號，并用ESC鍵退出；</p><p>　?、捱xF6：進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，此時開關(guān)置入班號，將實驗箱啟

45、動地址清零（CLR：1→0→1）：</p><p>　　1）選擇F2進(jìn)入單步運行狀態(tài)；</p><p>　　2）選擇F3進(jìn)入連續(xù)運行狀態(tài)；</p><p>　　⑦若運行不正確，首先檢查連線有無錯誤； </p><p>　?、嗳暨\行正確，將在數(shù)據(jù)通路的“OUTPUT”</p><p>　　模塊看到十六進(jìn)制的結(jié)果： “班號

46、+學(xué)號”</p><p>　?、岵捎脝尾交蜻B續(xù)運行方式執(zhí)行機器指令程序，請參照機器指令程序及微程序流程圖，將實驗結(jié)果與程序的理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗證實驗系統(tǒng)執(zhí)行機器指令程序的正確性。</p><p>　　第4章 運行結(jié)果與分析</p><p><b>　　4.1 運行結(jié)果</b></p><p>　　圖 4.1 運行結(jié)

47、果圖 </p><p>　　鍵入地址0AH，將0A內(nèi)容改為學(xué)號14H，用開關(guān)置入班號，結(jié)果OUTPUT為16H。</p><p>　　4.2 運行結(jié)果分析</p><p>　　4.2.1機器指令A(yù)DD的理論計算過程</p><p>　　計算機

48、1082班, 第20號同學(xué), 班號=02H，學(xué)號=14H, F=X加Y(算術(shù)加)</p><p>　　X=R0=班號= 00000010B=02H</p><p>　　Y=M[0A]=學(xué)號=00010100B=14H</p><p>　　ADD [0AH]，R0功能：R0加M[0AH]→R0</p><p><b>　　0000

49、0010B</b></p><p>　　加 00010100B </p><p>　　00010110B =16H</p><p>　　第5章 課程設(shè)計總結(jié)</p><p>　　5.1 機器指令的微程序</p><p>　　IN:01H: 01ED82H</p><p>

50、;　　02H: 00C048H</p><p>　　10H: 01ED92H</p><p>　　ADD:01H→02H→11H→03H→04H→05H→06H</p><p>　　STA:01H→02H→12H→07H→15H</p><p>　　OUT:01H→02H→13H→16H→17H→25H</p><p>

51、;　　JMP:01H→02H→14H→26H</p><p>　　5.2 課程設(shè)計心得體會</p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我更進(jìn)一步了解了計算機的組成，線路的連接與模型機的各個硬件的結(jié)構(gòu)，同時初步掌握了微程序微指令的一些編制與設(shè)計。從一種微觀的角度更加了解計算機模型機，也逐漸建立起整機概念。</p><p>　　這次課程設(shè)計使我從中獲益匪淺。對計算機組成原理

52、的理論知識有了更深刻的理解，對于以前一知半解的東西也有了充分的理解。因為課程設(shè)計是要求將以前在課堂上學(xué)的理論知識運用到實際的設(shè)計當(dāng)中去，但是在設(shè)計過程中，我們一定會碰到各種各樣的問題。但是為了解決這些問題，我們一定會更加仔細(xì)認(rèn)真的去翻閱自己以前學(xué)過但是以為已經(jīng)了解熟悉的東西。這在無形中幫助我們加深對所學(xué)知識的了解及運用能力，并且讓我們明白什么地方是我們真正需要去關(guān)注的。而且這樣我們對課本以及以前學(xué)過的知識有了一個更好的總結(jié)與理解。而課程

53、設(shè)計需要我們不但通過翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過的知識而且需要查閱更多的相關(guān)信息，如去圖書館查閱相關(guān)的書籍，去網(wǎng)上搜索相關(guān)的材料，最終確立了設(shè)計方案。</p><p>　　在模型機設(shè)計過程中我碰到了許多問題，而這些問題都是需要我認(rèn)真仔細(xì)才能檢查出來，而且，這些設(shè)計是要通過系統(tǒng)的設(shè)計才能完成的，不能想到哪里就做到哪里，必須在設(shè)計之前有個系統(tǒng)的分析，在詳細(xì)設(shè)計時更加要仔細(xì)對待，因為對于各個代碼都不能出錯，一些細(xì)微的錯誤就會導(dǎo)致所

54、有的錯誤。</p><p>　　通過這次的設(shè)計我對于CPU指令系統(tǒng)和模型機的認(rèn)識很大的提高，而且通過此次課程設(shè)計，對我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。這是我們踏入社會前的一次模擬工作。給了我們很好的一次實踐的機會。通過這次課設(shè)讓我明白了理論和實際操作之間差距，而且也讓我明確得意識到自己在學(xué)習(xí)上有很多的知識漏洞，應(yīng)努力彌補，并且給了我努力的明確方向，知識只有會運用了才是真正的了解掌握了這些知識。而這些不了解的差

55、距在以后的工作中將是致命的。所有又一次給我的提點。給我不斷完善自己的機會。給了我實際工作的一點有用的經(jīng)驗，這是所有的理論都比不過實踐的地方，而我在今后的學(xué)習(xí)中，也將向著這些方面去完善。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 石磊 《計算機組成原理簡明教程》 北京：清華大學(xué)出版社 2009年3月 </p><p&

56、gt;　　[2] 唐朔飛 《計算機組成原理》 北京：高等教育出版社 2008年1月</p><p>　　[3] 薛勝軍 《計算機組成原理》 武漢：武漢理工大學(xué)出版社 2008年5月</p><p>　　設(shè)計過程中質(zhì)疑（或答辯）記載：</p><p>　　1.在微程序運行過程中如何驗證微程序流程是否正確？</p><p>　　答：在運行程序時可

57、使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”，進(jìn)行單步運行，每次單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令，可對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。，如果一致則微程序流程正確，反之錯誤。</p><p>　　2.在完成接線后，如何對RO和[0AH]輸入數(shù)據(jù)并完成運算？</p><p>　　答：在完成接線后，對開關(guān)置入R0的