計算機(jī)組成原理課程設(shè)計報告 (2)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 程序設(shè)計1</p><p>　　1.1 程序設(shè)計的目的及要求1</p><p>　　1.1.1 程序設(shè)計的目的1</p><p>　　1.1.2 程序設(shè)計的要求1</p><p>　　1.2 程序設(shè)計基本原理1&

2、lt;/p><p>　　1.2.1 實驗?zāi)Ｐ蜋C(jī)CPU結(jié)構(gòu)1</p><p>　　1.2.2 機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能3</p><p>　　第2章 微程序設(shè)計5</p><p>　　2.1 微程序設(shè)計流程圖5</p><p>　　2.2 二進(jìn)制微代碼表設(shè)計6</p><p>　　2.2.1 控

3、制臺指令代碼與數(shù)據(jù)6</p><p>　　2.2.2 微指令7</p><p>　　2.2.3 機(jī)器指令與操作碼7</p><p>　　第3章 線路連接8</p><p>　　3.1 實驗線路連接8</p><p>　　3.2 聯(lián)機(jī)寫入程序8</p><p>　　3.2.1 微指令的

4、寫入8</p><p>　　3.2.2 機(jī)器指令的寫入與檢查9</p><p>　　第4章 程序?qū)崿F(xiàn)11</p><p>　　4.1 運行程序11</p><p>　　4.1.1 單步運行11</p><p>　　4.1.2 連續(xù)運行程序11</p><p>　　4.2 設(shè)計新的機(jī)器

5、指令11</p><p>　　4.3 微指令代碼11</p><p>　　第5章 遇到問題及解決方法13</p><p>　　5.1 所遇到的問題13</p><p>　　5.2 對應(yīng)問題的解決方法13</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)14</b></p><p

6、><b>　　第1章 程序設(shè)計</b></p><p>　　1.1 程序設(shè)計的目的及要求</p><p>　　1.1.1 程序設(shè)計的目的</p><p>　　1．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)，構(gòu)造一臺基本模型計算機(jī)。</p><p>　　2．為其定義若干條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，上機(jī)調(diào)試

7、，掌握整機(jī)概念。</p><p>　　1.1.2 程序設(shè)計的要求</p><p>　　1、掌握設(shè)計題目所要求的機(jī)器指令的操作功能，除了4條必做指令外，每組另外設(shè)計2條機(jī)器指令。4條選做指令，供有能力的學(xué)生完成。</p><p>　　2、為要設(shè)計的機(jī)器指令設(shè)計操作碼和操作數(shù)，并安排在RAM（6116芯片）中的地址，形成“機(jī)器指令表”。</p><p

8、>　　3、分析并理解數(shù)據(jù)通路圖。根據(jù)數(shù)據(jù)通路圖畫出給定的機(jī)器指令的微程序流程圖，并為其中的每條微指令分配地址。</p><p>　　4、根據(jù)微指令格式編寫每條微指令的二進(jìn)制代碼，形成“二進(jìn)制微指令代碼表”。</p><p>　　5、全部微程序設(shè)計完畢后，按照課程設(shè)計指導(dǎo)書中給出的電路接線圖連接線路。</p><p>　　6、將微程序中的各個微指令正確地寫入28

9、16芯片中，效驗正確進(jìn)行下一步。</p><p>　　7、執(zhí)行控制臺操作微指令，進(jìn)行機(jī)器指令程序的寫入和檢查。</p><p>　　8、調(diào)試運行程序，檢查結(jié)果是否和理論值一致。</p><p>　　9、記錄故障的現(xiàn)象，并對故障進(jìn)行分析，并找出排除故障的方法。</p><p>　　1.2 程序設(shè)計基本原理</p><p>

10、;　　1.2.1 實驗?zāi)Ｐ蜋C(jī)CPU結(jié)構(gòu)</p><p>　　1、運算器單元（ALU UINT）</p><p>　　運算器單元由以下部分構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并－串型8位ALU；兩個8位寄存器DR1和DR2為暫存工作寄存器，保存參數(shù)或中間運算結(jié)果。ALU的S0～S3為運算控制端，Cn為最低進(jìn)位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制

11、該三態(tài)門。</p><p>　　2、 寄存器堆單元（REG UNIT）</p><p>　　該部分由1片8位寄存器R0組成，它用來保存操作數(shù)用中間運算結(jié)構(gòu)等。該寄存器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDR0和RS0-B根據(jù)機(jī)器指令進(jìn)行選通。</p><p>　　3、 指令寄存器單元（INS UNIT）</p><p>　　指令寄存器單元中指令寄

12、存器（IR）構(gòu)成模型機(jī)時用它作為指令譯碼電路的輸入，實現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。</p><p>　　4、 時序電路單元（STATE UNIT）</p><p>　　用于輸出連續(xù)或單個方波信號，來控制機(jī)器的運行。</p><p>　　5、 微控器電路單元（MICRO－CONTROLLER UNIT）</p><p>　　微控器主要用

13、來完成接受機(jī)器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)機(jī)器指令對應(yīng)的首條微代碼程序，對該條機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號控制微代碼的輸出鎖存。由程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）實現(xiàn)程序的取指功能。</p><p>　　6、 邏輯譯碼單元（LOG UNIT）</p><p>　　用來根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、

14、分支、循環(huán)運行，及工作寄存器R0的選通譯碼。</p><p>　　7、 主存儲器單元（MAIN MEM）</p><p>　　用于存儲實驗中的機(jī)器指令。</p><p>　　8、 輸入輸出單元（INPUT/OUTPUT DEVICE）</p><p>　　輸入單元使用八個撥動開關(guān)作為輸入設(shè)備，SW-B控制選通信號。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器

15、后由兩個數(shù)碼管顯示其值。</p><p>　　9、移位發(fā)生器（74LS299）</p><p>　　用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位運算，其8個輸入和輸出端以排針方式和總線單元鏈接。</p><p>　　該CPU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路框圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 CPU結(jié)構(gòu)通路圖</p><p>　　1.2.2 機(jī)器指令

16、的結(jié)構(gòu)和功能</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，而本次課設(shè)是在微程序控制器控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從存儲器中取出一條機(jī)器指令到指令執(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(jī)器指令對應(yīng)一個微程序。</p><p>　　本次課設(shè)我們組設(shè)計了十條機(jī)器指令

17、：IN、SUB、NRA、INC、ASR、ROL、DEC、RCR、RSA、JMP。</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）：撥動開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“00”時，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。</p><p>

18、　　存儲器寫操作（KWE）：撥動開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“01”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：撥動開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“11”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到地址為23Q的“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，其定義如表1.

19、1所示：</p><p>　　表 1.1 控制臺定義格式</p><p>　　微指令字長共24位，其中UA5~UA0為下一條微指令微地址，A、B、C為三個譯碼字段如圖1.2所示，分別由三個控制位譯碼出多種不同控制信息。</p><p>　　表1.2 控制位順序</p><p><b>　　圖1.2譯碼字段</b><

20、/p><p>　　其中UA5-UA0 為6位的后續(xù)微地址，A、B、C三個譯碼字段，分別由三個譯碼字段。分別由三個控制位移碼出多種不同信號。</p><p>　　A字段中的各種信號功能是將總線上的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的寄存器中。</p><p>　　B字段中的各種信號是將寄存器中的數(shù)據(jù)或通過開關(guān)輸入的數(shù)據(jù)傳送到總線上。</p><p>　　C字段中P(1)

21、~P(4)是四個測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行。</p><p>　　地址修改要根據(jù)實驗系統(tǒng)的微程序地址轉(zhuǎn)移電路來完成，該電路如圖1.3所示。</p><p>　　圖1.3微程序地址轉(zhuǎn)移電路</p><p>　　圖中左側(cè)的FC、FZ、P（1）~（4）均為低電平有效。當(dāng)T4有正脈沖

22、信號到來時該電路開始工作。I7~I2中輸入指令寄存器的第7~2位，SE5~SE1為微程序地址轉(zhuǎn)移電路的輸出結(jié)果。</p><p>　　根據(jù)SE5~SE1的值，實驗系統(tǒng)自動將下一條微指令的原始地址UA4~UA0修改為SE5~SE1的值與下一條微指令的原始地址UA4~UA0進(jìn)行按位操作，SE5~SE1中為1的位UA4~UA0中的位保持不變，而SE5~SE1中為0的位對應(yīng)的原始地址UA4~UA0中的位強(qiáng)置為1。<

23、/p><p><b>　　第2章 微程序設(shè)計</b></p><p>　　2.1 微程序設(shè)計流程圖</p><p>　　系統(tǒng)涉及到的微程序流程，當(dāng)擬定“取址”微指令時，該微指令的判別測試字段為P（1）測試。由于“取址”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(jī)用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件，出

24、現(xiàn)10路分支，占用10個固定微地址單元。</p><p>　　控制臺操作為P（4）測試如圖2-1所示，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，剩下的其它地方就可以一條微指令占用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>　　圖 2.1 控制臺操作</p><p>

25、;　　負(fù)責(zé)設(shè)計的機(jī)器指令是ASR、JMP，具體流程如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2指令周期流程圖</p><p>　　2.2 二進(jìn)制微代碼表設(shè)計</p><p>　　當(dāng)完成上述全部微程序設(shè)計后，對每條微指令進(jìn)行代碼化，即將微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的，轉(zhuǎn)化成為如下的“二進(jìn)制微代碼表”。</p><p>　　2.2.1 控制

26、臺指令代碼與數(shù)據(jù)</p><p>　　控制臺指令代碼及數(shù)據(jù)，如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 控制臺指令</p><p><b>　　2.2.2 微指令</b></p><p>　　我負(fù)責(zé)設(shè)計的微指令如表2.2所示。</p><p><b>　　表2.2微指令代碼</

27、b></p><p>　　2.2.3 機(jī)器指令與操作碼</p><p>　　我負(fù)責(zé)的機(jī)器指令與操作碼如表2.3所示。</p><p>　　表2.3 機(jī)器指令與操作碼</p><p><b>　　第3章 線路連接</b></p><p>　　3.1 實驗線路連接</p><

28、p>　　按照設(shè)計的實現(xiàn)線路圖，連接實驗線路，仔細(xì)檢查實驗線路無誤后接通電源。實驗線路圖如圖3.1所示。</p><p><b>　　圖3.1實驗接線圖</b></p><p>　　3.2 聯(lián)機(jī)寫入程序</p><p>　　3.2.1 微指令的寫入</p><p>　　將“微程序二進(jìn)制代碼表”中設(shè)計好的微指令正確寫入

29、E2PROM芯片2816中，校驗正確后進(jìn)行下一步。</p><p><b>　　1、編程</b></p><p>　?、賹⒕幊涕_關(guān)置為PROM（編程）狀態(tài)。</p><p>　?、趯嶒灠迳系摹癝TART UNIT”中的“STEP”置為“STEP”，“STOP”置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　③用二進(jìn)制模擬開關(guān)

30、UA0~UA5置微地址MA0~MA5。</p><p>　?、茉贛K23~MK0開光上置微地址代碼，24位開關(guān)對應(yīng)24位顯示燈，開關(guān)置為“0”時燈亮，開光置為“1”時燈滅。</p><p>　?、輪訒r序電路（按動啟動按鈕“START”），即將微代碼寫入到E2PROM2816的相應(yīng)地址對應(yīng)的單元中。</p><p>　　⑥重復(fù)①~⑤步驟，將已完成的微地址代碼及數(shù)據(jù)寫

31、入到2816中。</p><p><b>　　2、校驗</b></p><p>　?、賹⒕庉嬮_關(guān)置為READ（校驗）狀態(tài)。</p><p>　?、趯嶒灠宓摹癝TEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)，“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)</p><p>　?、塾枚M(jìn)制模擬開關(guān)UA0~UA5置微地址MA0~MA5。</p&g

32、t;<p>　?、馨磩印癝TART”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼。觀察顯示燈MK23~MK0的狀態(tài)（燈亮為“0”，滅為“1”），檢查讀出的微代碼是否與寫入相同。如果不同，則將開關(guān)置為PROM編輯狀態(tài)，重新執(zhí)行⑴即可。</p><p>　　3.2.2 機(jī)器指令的寫入與檢查</p><p>　　使用如圖3.2所示的控制臺KWE和KRD微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。</

33、p><p><b>　　圖3.2 控制臺</b></p><p>　　1、使編程開關(guān)置為“RUN”，STEP置為“STEP”狀態(tài)，STOP置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　2、撥動總清開關(guān)CLR（1→0→1），微地址寄存器清零。此時用“DATA UNIT”單元的8位二進(jìn)制開關(guān)給出寫入RAM區(qū)的首地址，控制臺SWB、SWA開關(guān)置為“01”，按

34、動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示為“010001”再按動一次START鍵，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(jī)器指令，按動一次START鍵，即完成該條指令的寫入。機(jī)器指令的首地址只要第一次給如即可，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(shè)置內(nèi)容，知道所有機(jī)器指令完成。</p><p>　　3、寫完程序后須進(jìn)行校驗。撥動總清開關(guān)CLR（1

35、→0→1）后，微地址清零。此時用“DATA UNIT”單元的8位二進(jìn)制開關(guān)置要讀的RAM區(qū)首地址，控制開關(guān)SWB、SWA為“00”，按動啟動START，微地址燈將顯示為“010000”，再按動START，微地址將顯示為“010010”，</p><p>　　第三次按動START，微地址顯示為“010000”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內(nèi)容。不斷按動START，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。</p>

36、<p>　　注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，顯示燈的內(nèi)容才是相應(yīng)地址中那個的機(jī)器指令內(nèi)容。</p><p><b>　　第4章 程序?qū)崿F(xiàn)</b></p><p><b>　　4.1 運行程序</b></p><p>　　4.1.1 單步運行</p><p>　　1、使編程開

37、關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　2、撥動總清開關(guān)CLR（1→0→1），微地址清零。</p><p>　　3、將“DATA UNIT”的8位數(shù)據(jù)開關(guān)（D7~D0）設(shè)置為機(jī)器指令首地址。</p><p>　　4、按動START啟動鍵，單步運行一條微指令，每次按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照

38、微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　　5、當(dāng)運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元中的結(jié)果是否和理論值一致。</p><p>　　4.1.2 連續(xù)運行程序</p><p>　　1、使“START 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>　　2、將“DATA UNIT”

39、的8位二進(jìn)制開關(guān)設(shè)置為機(jī)器指令程序首地址，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(jī)。</p><p>　　3、停機(jī)后可檢查存數(shù)單元結(jié)果是否正確。</p><p>　　4.2 設(shè)計新的機(jī)器指令</p><p>　　在上述設(shè)計任務(wù)正確完成后，根據(jù)前面的設(shè)計原理和步驟，為該基本模型設(shè)計更多的新機(jī)器指令，例如減法指令、邏輯運算指令等。

40、</p><p>　　要求：至少設(shè)計一條新指令，畫出新機(jī)器指令的微程序流程圖，對照微指令格式轉(zhuǎn)化二進(jìn)制碼，上機(jī)調(diào)試運行。</p><p><b>　　4.3 微指令代碼</b></p><p>　　各條微指令代碼如表4.1所示。</p><p>　　表4-1 微指令代碼</p><p>　　第5章

41、 遇到問題及解決方法</p><p>　　5.1 所遇到的問題</p><p>　　1．計算指令的微地址時出現(xiàn)計算錯誤，導(dǎo)致一連串的微地址需要；</p><p>　　2．做機(jī)器指令程序及數(shù)據(jù)存放地址表格時，沒有考慮到有的指令需要3行，出現(xiàn)錯誤；</p><p>　　3．接線時，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)線接反，有的線路漏接或多接的錯誤，做實驗時沒有及時發(fā)現(xiàn)；

42、</p><p>　　4．輸入數(shù)據(jù)時，有的微指令代碼沒有輸入其微地址就直接存代碼，導(dǎo)致幾條指令微地址錯誤，實驗過程中地址沒有按預(yù)期的順序變化，我組組員不得不重新存數(shù)，浪費了很多時間；</p><p>　　5．每次存完數(shù)之后再關(guān)閉實驗箱實驗結(jié)果就會發(fā)生變化；</p><p>　　6．其他錯誤已經(jīng)排除的情況下，我們發(fā)現(xiàn)實驗仍然不能按預(yù)期的順序執(zhí)行。</p>

43、<p>　　5.2 對應(yīng)問題的解決方法</p><p>　　1．經(jīng)王老師檢查和指導(dǎo)后，我們重新計算了微地址，解決了這一問題；</p><p>　　2．我們重新設(shè)計了機(jī)器指令程序和數(shù)據(jù)存放地址，經(jīng)老師檢查后解決了這個問題；</p><p>　　3．經(jīng)過組員的細(xì)心觀察，我們一起重新檢查了線路，解決了線路問題；</p><p>　　4．

44、我們組一起分工合作，這一次細(xì)心的完成了微指令代碼的輸入；</p><p>　　5．我們有了這方面的經(jīng)驗后，每次做實驗都會重新細(xì)心的輸入一遍微指令代碼；</p><p>　　6．我們經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)了我們的實驗箱有問題，于是等別組同學(xué)完成實驗后，我們就借他們的實驗箱重新我們的實驗，經(jīng)王老師檢查無誤后，從而完成了本次計算機(jī)組成原理課設(shè)。</p><p><b>

45、;　　設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　一周的計算機(jī)組成原理課設(shè)結(jié)束了，我覺得自己既高興，又難過。高興的是自己終于完成了本次課程設(shè)計，這一周我覺得好累，也可能因為我們這一組實驗過程中出現(xiàn)了太多錯誤，因此我們組的大多數(shù)成員都是整天呆在實驗室，我覺得比平時上課還累；難過的是以后學(xué)習(xí)生涯可能再也沒有這樣的機(jī)會來鍛煉我們。不過無論是高興還是難過，我覺得自己越來越喜歡計算機(jī)組成原理這門課了。其實這門課對我們

46、以后無論是對工作還是自己理解計算機(jī)都有很大的幫助。</p><p>　　在本次課設(shè)中我們組遇到了太多的問題，伴隨著一個個的問題，我們都一個一個耐心的把問題解決了，而且我覺得如果課設(shè)中不出現(xiàn)問題，反而課設(shè)不會對我們有太大的作用。比如此次課設(shè)我們在輸入微指令代碼時出現(xiàn)了輸入錯誤的現(xiàn)象，于是我們又耐心的輸入了一遍，雖然工作量很大，但是我們沒有氣餒，最后保證了在數(shù)據(jù)輸入上的正確性。從這個例子中我們懂得了做任何事情都要認(rèn)真

47、，細(xì)心，不能抱有僥幸的心理，更不能半途而廢。</p><p>　　總之，這次課程設(shè)計對于我們有很大的幫助，通過課程設(shè)計，我更加深入地理解了計算機(jī)組成原理課程上講到的各種芯片的功能，以及引腳的作用，同時加深了對于主要芯片的認(rèn)識，而且在實驗室的環(huán)境里熟悉微程序的編寫過程和運行過程，最后還提高了自己的動手能力。</p><p>　　這次課設(shè)成功完成除了我們組員之間的密切合作，還少不了王老師的耐心