計算機組成原理課程設計--模型機的設計與實現

1、<p><b>　　計算機信息工程學院</b></p><p><b>　　《計算機組成原理》</b></p><p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題目： 模型機的設計與實現 </p><p>　　專 業(yè)： 計算機科學與技術（網絡方向）&l

2、t;/p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　完

3、成日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、 設計概述2</b></p><p><b>　　1.1設計目的2</b></p><p>　　二、設計原理及內容3</p><

4、p>　　2.1設計基本原理3</p><p>　　2.2需執(zhí)行的機器指令3</p><p>　　2.3數據通路圖4</p><p>　　2.4微指令格式5</p><p>　　2.5微程序地址的轉移5</p><p>　　2.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)行6</p><p>&l

5、t;b>　　三、 設計步驟8</b></p><p>　　3.1編寫機器指令8</p><p>　　3.2繪制微程序流程圖8</p><p>　　3.3繪制微指令9</p><p>　　3.4連接實驗線路10</p><p><b>　　3.5寫指令10</b><

6、;/p><p>　　3.5.1寫微指令10</p><p>　　3.5.2寫機器指令11</p><p><b>　　四、運行結果11</b></p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　一、 設計概述</b><

7、;/p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　　隨著社會科技的發(fā)展，計算機被應用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設計課題是基本模型機的設計與實現，它正體現了這一點。利用CPU與簡單模型機來實現計算機組成原理課程及實驗中所學到的實驗原理和編程思想，硬件設備自擬，編寫指令的應用程序，用微程序控制器實現了一系列的指令功能，最終達到將

8、理論與實踐相聯(lián)系。本次設計完成了各指令的格式以及編碼的設計，實現了各機器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應用程序。在“微程序控制器的組成與微程序設計實驗”的基礎上，將第一部分中的各單元組成系統(tǒng)，構造一臺基本模型計算機。</p><p>　　1.掌握機器指令與微程序的對應關系。</p><p>　　2.掌握機器指令的執(zhí)行流程。</p><p>　　3.掌握機器指令

9、的微程序的編制、寫入。</p><p>　　4.在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將組成系統(tǒng)，構成一臺基本模型計算機。</p><p>　　5.為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試，掌握整機概念。</p><p><b>　　二、設計原理及內容</b></p><p><b>　　2.1設計基

10、本原理</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生的，如運算器實驗中對74LS－181芯片的控制，存儲器實驗中對存儲器芯片的控制信號，以及幾個實驗中對輸入設備的控制。而本次實驗將能在微程序控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能。這里，計算機數據通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期全部由微指令組成的

11、序列來完成，即一條機器指令對應一段微程序。</p><p>　　本系統(tǒng)使用兩種外部設備，一種是二進制代碼開關(DATA UNIT)，它作為輸入設備；另一種是發(fā)光二極管(BUS UNIT上的一組發(fā)光二極管)，它作為輸出設備。例如：輸入時，二進制開關數據直接經過三態(tài)門送到總線上，只要開關狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數據送到數據總線BUS上，驅動發(fā)光二極管顯示。</p><p>　

12、　2.2需執(zhí)行的機器指令</p><p>　　本次設計采用五條機器指令；IN(輸入)、ADD（加）、OR(或)、OUT(輸出)、NOT(加3取反)、JMP(無條件轉移)，其指令格式如表2-1所示。</p><p>　　表2-1 機器指令格式表</p><p>　　其中機器指令碼的最高8位為操作碼。IN為單字長(8位)，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應

13、的二進制地址碼。</p><p><b>　　2.3數據通路圖</b></p><p>　　實驗系統(tǒng)的數據通路圖，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 數據通路圖</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　　⒈片選信號CE=0為有效電平，CE=1

14、為無效電平。</p><p>　?、瞁E=1為寫入，WE=0為讀出。</p><p>　?、矻OAD和LDPC同時為“1”時，可將總線上的數據裝入到PC中；LDPC為“1”，同時LOAD為“0”時，將PC中內容加1。</p><p>　　⒋M=0為算術運算，M=1為邏輯運算。</p><p>　　⒌CN=0表示運算開始時低位有進位，否則低位無

15、進位。</p><p>　　圖2.1中包括運算器、存儲器、微控器、輸入設備、輸出設備以及寄存器。這些部件的動作控制信號都有微控器根據微指令產生。需要特別說明的是由機器指令構成的程序存放在存儲器中，而每條機器指令對應的微程序存儲在微控器中的存儲器中。</p><p><b>　　2.4微指令格式</b></p><p>　　微指令字長共24位，其

16、控制位順序如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 微指令格式圖</p><p>　　其中UA5～UA0為下一條微指令微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多種不同控制信號。</p><p>　　A字段中的LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。</p><p>　　B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為

17、源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據機器指令來進行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。</p><p>　　C字段中的P(1)～P(4)是四個測試字位。其功能是根據機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現微程序的順序、分支、循環(huán)運行，其原理如圖2.3所示。AR為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。</p><p&

18、gt;　　注意：根據后面的實驗接線圖，A字段的LDRi與數據通路圖中的LDR0為同一個信號。B字段的RS-B與數據通路圖中的R0-B為同一個信號。</p><p>　　2.5微程序地址的轉移</p><p>　　本實驗系統(tǒng)的指令寄存器(IR)用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把該指令從內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，由二進制數構

19、成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試[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”(實驗板上標有“INS DECODE”的芯片)根據指令中的操作碼譯碼后的結果，將微控器單元的微地址修改為下一條微指令的地址。</p><p>　　地址修改要依靠實驗系統(tǒng)的微程序地址轉移電路來完成，該電路如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 微程序地址轉移電路&l

20、t;/p><p><b>　　注意：</b></p><p><b>　?、盕C：進位標志</b></p><p><b>　?、睩Z：0標志</b></p><p>　?、砈WA、SWB存儲器讀寫控制標志</p><p>　?、碢（1）～P（4）：微指令C

21、字段譯碼輸出結果</p><p>　?、礗2～I7：機器指令第2位～第7位。</p><p>　　2.6機器指令的寫入、讀出和執(zhí)行</p><p>　　為了向RAM中裝入機器指令程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動機器指令程序執(zhí)行，還必須設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CLR（使CLR從1

22、→0→1）后，控制臺開關SWB、SWA置為“0 0”時，按START微動開關，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CLR后，控制臺開關SWB、SWA置為“0 1”時，按START微動開關可對RAM進行連續(xù)手動寫入。</p><p>　　啟動程序：撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA置為“1 1”時，按START微動開關，即可轉入到第

23、25號“取指”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SWB、SWA的狀態(tài)來設置，其定義如表2-3所示。</p><p>　　表2-3 控制臺指令</p><p>　　三個控制臺操作微程序的流程如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 控制臺操作微程序流程圖</p><p>　　控

24、制臺操作為P(4)測試，它以控制臺開關SWB、SWA作為測試條件，出現了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，余下的微指令可以存放在控制存儲器的其他任意單元中。</p><p>　　當設計“取指”微指令時，該微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)的測試結果出現多路分支。本機用指令寄存器的前6位(IR7—IR2)作為測試條件，出5路分支

25、，占用5個固定微地址單元。</p><p><b>　　三、 設計步驟</b></p><p><b>　　3.1編寫機器指令</b></p><p>　　設計各條機器指令代碼及數據，并為指令和數據分配存儲地址。本次設計機器指令程序如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 本次設計機器指令程序

26、</p><p>　　3.2繪制微程序流程圖</p><p>　　根據每條機器指令的功能，為每條機器指令畫出微程序流程圖，并為其中的每條微指令分配地址?？傮w微程序流程圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 總體微程序流程圖</p><p><b>　　3.3繪制微指令</b></p><p&

27、gt;　　根據控制位順序圖，可繪制下列微指令表3-2。</p><p><b>　　表3-2 微指令表</b></p><p><b>　　3.4連接實驗線路</b></p><p>　　按圖3.2連接實驗線路，仔細查線路無誤后接通電源。</p><p>　　圖3.2 實驗接線圖</p>

28、<p><b>　　3.5寫指令</b></p><p><b>　　3.5.1寫微指令</b></p><p>　?、艑⒕幊涕_關置為PROM(編程)狀態(tài)。</p><p>　　⑵將實驗板上“STATE UNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。</p><

29、;p>　?、怯枚M制模擬開關UA0～UA5置微地址MA0～MA5。</p><p>　　⑷在MK23～MK0開關上置微指令代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關置為“0”時燈亮，開關置為“l(fā)”時燈滅。</p><p>　?、蓡訒r序電路(按動啟動按鈕“START”)，即將微代碼寫入到E2PROM 2816的相應地址對應的單元中。</p><p>　?、手貜廷恰?/p>

30、⑸步驟，將表3-2中的微代碼寫入E2PROM 2816。</p><p>　　寫完微指令后須進行校驗。將編程開關設置為READ(校驗)狀態(tài)。將實驗板的“STEP”開關置為“STEP”狀態(tài)。“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)。用二進制模擬開關UA0～UA5置好微地址MA0～MA5。按動“START”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MD23～MD0的狀態(tài)(燈亮為“0”，滅為“1”)，檢查讀出的微代碼是否與寫入

31、的相同。如果不同，則將開關置于PROM編程狀態(tài)，重新寫入微指令即可。</p><p>　　3.5.2寫機器指令</p><p>　　使用圖2.4所示的控制臺KWE和KRD微程序進行機器指令程序的裝入和檢查。</p><p>　?、攀咕幊涕_關處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　?、茡軇涌偳彘_

32、關CLR(1→0→1)，微地址寄存器清零。此時用“DATA UNIT”單元的8位二進制開關給出要寫入RAM區(qū)的首地址，控制臺SWB、SWA開關置為“0 1”，按動一次啟動開關START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動一次START，微地址燈顯示“010100”，此時數據開關的內容置為要寫入的機器指令，按動一次START鍵，即完成該條指令的寫入。</p><p>　　若仔細閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現，機

33、器指令的首地址只要第一次給入即可，PC會自動加1，所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示“010100'’時，才設置內容，直到所有機器指令寫完。</p><p>　　寫完機器指令后須進行校驗。撥動總清開關CLR(1→0→1)后，微地址清零。此時用“DATA UNIT'’單元的8位二進制開關置要讀的RAM區(qū)的首地址，控制臺開關SWB、 SWA為“0 0”，按動啟動START，微地址燈將顯示“0

34、10000"，再按START，微地址燈顯示為“010010"，第三次按START，微地址燈顯示為“010000”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內容。不斷按動START，可檢查后續(xù)單元內容，注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，顯示燈的內容才是相應地址中的機器指令內容。</p><p><b>　　四、運行結果</b></p><p&g

35、t;　?、攀咕幊涕_關處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”。</p><p>　?、茡軇涌偳彘_關CLR(1→0→1)，微地址清零。</p><p>　?、菍ⅰ癉ATA UNIT”的8位數據開關(D7～D0)設置為機器指令首地址。</p><p>　?、劝磩覵TART啟動鍵，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

36、。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　?、僧斶\行結束后，可檢查存數單元中的結果是否和理論值一致。</p><p>　?、攀埂癝TATE UNIT”中的STEP開關置為“EXEC”狀態(tài)。STOP開關置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　⑵將“DATA UNIT”的8位二進制開關設置為機器指令程序首地址，然后按動START，系統(tǒng)連續(xù)

37、運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。</p><p>　?、峭C后，可檢查存數單元結果是否正確。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王健,王德君.《計算機組成原理實驗指導書》[M].沈陽工程學院，2008</p><p>　　[2]白中英.《計算機組成原理(第4版)