计算机组成原理模型机设计与实现.docx

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计算机组成原理模型机设计与实现

学号：

武汉华夏理工学院

计程设课

计算机组成原理课程名称

模型机设计与实现目题

专业

班级

名姓

成绩

华田指导教师小

日27122016年月

1

武汉华夏理工学院信息工程系

课程设计任务书

课程名称：

计算机组成原理指导教师：

田小华

班级名称：

开课教研室：

软件与信息安全

一、课程设计目的与任务

理解计算机系统各个功能部件的功能、结构和工作原理，正确理解各功能部件之间的相互关系及其在计算机系统中所起的作用；掌握计算机系统各个功能部件的设计和分析技术，包括数据与指令的编码、存储器、运算器、输入输出接口等。

在此基础上，使学生通过理论与实践的结合，利用基本模型计算机的构建与调试实验，完整地建立计算机硬件的整机模型，掌握中央处理器的基本结构和控制流程，掌握机器指令执行的基本过程，熟悉微程序控制器的基本结构和微程序设计技术的主要技巧，理解一条机器指令与一段微程序的关系，明确高级语言指令与微指令的对应关系，充分理解控制信息流利用数据通路完成对数据流的加工处理的过程。

通过课程设计，使学生将所学专业知识综合运用，在实践活动中积累经验，增长才干，训练学生独立工作能力，激发学生的学习热情，培养学生的自主创新精神，养成务实严谨的工作作风。

二、课程设计的内容与基本要求

1.按给定的数据格式、机器指令格式和微指令格式，利用基本的数字逻辑器件，设计—台微程序控制的模型计算机。

2.设计五条机器指令:

IN,ADD,STA,OUT,JMP，并用微指令编写微程序，实现每条机器指令的功能。

3.在TD-CMA教学实验平台上实现基本模型机方案：

⑴建立数据通路，定义开关SWA及SWB的功能；⑵确定微程序控制流程，掌握控制台操作；⑶输入编写的五条机器指令的微程序序列；⑷输入实验机器指令程序序列；⑸设计基本模型的物理连线；⑹完成微程序的调试，实现实验机器指令程序的功能。

完成模型机调试任务后，整理课程设计资料，撰写课程设计报告。

课程设计报告内容包括：

①模型机数据通路图；②微程序控制器逻辑模块图；③微程序控制流程图；④元件排列图；⑥调试小结。

⑤设计说明书；三、课程设计步骤及时间进度和场地安排

《计算机组成原理》课程设计将安排在第17周,地点在信息系实验楼523教室。

具体安排如下：

1．第17周周1（1节）（12月26日）：

集中讲解课程设计原理与方法，3-203教室

2．第17周周1（2--4节）：

完成模型机的实验线路连接

2

3．第17周周2：

调试模型机，记录实验结果，撰写课程设计报告

4．第17周周5：

检查课程设计报告，打印提交课程设计报告

软件工程1151班时间安排：

星期星期星期

周1-1-11-

实验523实验523实验523

四、课程设计考核及评分标准独立完成课程设计考核将综合考虑学生考勤和参与度，课程设计方案正确性和实验结果的正确性，实验环节的情况，以及课程设计报告书的质量。

具体评分标准如下：

评分项序分101学习态度认真、遵守纪10设计分析合理2

20设计方案正确性、可行性3

304设计结果正确性

105设计报告的规范性

10实践环节的独立性与主动性6

107设计验收

等级/总得分

注：

最终成绩以五级分制记。

优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、

分以下为不及格60及格（60-69分）、

3

第一章课程设计...................................................................................................1

.............................................................................................1课程设计题目1.1.............................................................................................1课程设计目的1.2................................................................................................1

实验设备1.3第二章概要设计...................................................................................................1

............................................................................................1课程设计原理2.1

.............................................................................................2数据通路框图2.2...............................................................................................2微指令格式2.3

............................................................................................3微程序流程图2.4

...................................................................................4微指令二进制代码表2.5...............................................................................................5

实验步骤2.6

第三章实验过程屏幕截图..............................................................................7

........................................................................................7调试部分截图3.1.........................................................................................83.2调试整体图............................................................................................9

运行结果3.3第四章设计总结...........................................................................................9

...............................................9）（十六进制格式4.1给出每条机器指令的微程序..............................................................................................10设计体会4.2.....................................................................................12

.附表答辩和评语表

第一章需求分析

课程设计题目1.1基本模型机设计与实现

课程设计目的1.2在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。

1.3实验设备

TDN-CM组成原理实验系统，排线若干，微机

概要设计第二章2.1课程设计原理

采用五条机器指令:

IN,ADD,STA,OUT,JMP

地址（二进制）内容（二进制）助记符说明

0000000000000000INR0“INPUTDEVICE（班号）”→R0

0000000100010000ADD[0AH],R0R0+[0AH]→R0

0000001000001010

0000001100100000STAR0,[0BH]R0→[0BH]

0000010000001011

0000010100110000OUT[0BH][0BH]→LED

0000011000001011

1

0000011101000000JMP00H00H→PC

0000100000000000

00001001

0000101000011111学号为31号同学

00001011求和结果（班号加学号）

2.2数据通路框图

简单的模型计算机是由运算器、控制器、存储器、总线、输入输出和时序产生器组成。

在模型机中，我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减、与、或指令。

把通用寄存器作为累加器A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。

如图1所示：

图1数据通路框

2.3微指令格式

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，如图2所示：

2

2微指令格式图

微程序流程图2.4

3所示：

微程序流程图如图

3

微程序流程3图

微指令二进制代码表2.5

微指令二进制代码表表1

八进制格式进二制

微地址BCμA～μAAMCSSSSWEAA0180n5392

01000000000000001100000Q100

00001011000000001111001Q110

00100010000000000100002Q001

00010000000000000111003Q000

00010101100000000100004Q000

00011000000000001101005Q001

00000100110010101110106Q000

00110100000000111007Q000000

00000100000000010Q001000000

00001111011011Q110000000011

00011111012Q110000000011110

001110

13Q

110

000000011

110

110

4

01011011000000001111011014Q

00000100000000010115Q001000

00111116Q00000000100011001010117Q000000001000010

01001020Q110000000011110

01010011021Q00000001111001011110022Q01000000000100000100023Q000000011000

01100001024Q000000000000

00000125Q000000001110000

00000126Q00000000101000027Q00000111001000100000110130Q

设计过程中质疑（或答辩）记载：

实验过程中遇到的问题有哪些？

如何解决？

1.。

重新检查线路，发现是因为线接反了，将错误的端口一直显示00PC线路改正。

的地址？

为什么返回012.返回01的地址这是因为一条指令已经执行完毕，转入公操作。

即CPU对外围设备请求的处理开始进行的一些操作，如理等）。

如果没有外设要求，一条指令。

000000110110000000000101000101101（如中断处理、

101110

000000就一定转入“取指令”操作，开始运行下CPU

000

000

2.6实验步骤）!

2-6:

2.6.1实验接线图如下图。

（注意：

接线过程中不得有任何错误5

实验接线图图4

操作步骤2.6.2RUNSTEP,“STOP”→⑴微控器编程开关拨至RUN,“STEP”→实验箱利用COM1口与微机连接，实验箱加电，启动微机：

⑵

\CMP；①进入安装实验系统的目录，例如D：

②对实验箱复位；，进入实验运行环境；③桌面上选择:

CMP图标，运行CMP.EXE:

C:

\TANGDU\CMP\SAMPLE\EX1.TXT④选择转载菜单的装载功能⑤选择数据通路图标：

内存0AH单元置学号,开关置班号1

→0⑥CLR:

1→OUTPUT“”模块看到十六进制的结果：

将在⑦运行菜单的连续功能功能，若运行正确，学号的和班号+6

EX1文本文件内容如下：

机器指令程序：

$P0000

$P0110

$P020A

$P0320

$P040B

$P0530

$P060B

$P0740

$P0800

$P0A01

机器指令对应的微程序：

$M00018110

$M0101ED82

$M0200C048

$M0300E004

$M0400B005

$M0501A206

$M06959A01

$M0700E00D

$M08001001

$M0901ED83

$M0A01ED87

$M0B01ED8E

$M0C01ED96

$M0D028201

$M0E00E00F

$M0F00A015

$M1001ED92

$M1101ED94

$M1200A017

$M13018001

$M14002018

$M15070A01

$M1600D181

$M17070A10

$M18068A11

第三章实验过程屏幕截图

调试部分截图3.17

数据通路图5

3.2调试整体图

实验操作界面图6

8

3.3运行结果

运行结果7图设计总结第四章4.1每条机器指令的微程序（十六进制格式）

IN:

01Q:

01ED82H

02Q:

00C048H

10Q:

01ED92H

ADD:

01Q:

01ED82H

02Q:

00C048H

11Q:

01ED94H

03Q:

00E004H

04Q:

00B005H

9

05Q:

01A206H

06Q:

959A01H

STA:

01Q:

01ED82H

02Q:

00C048H

11Q:

01ED87H

03Q:

00E00DH

04Q:

028201H

OUT:

01Q:

01ED82H

02Q:

00C048H

11Q:

01ED8EH

03Q:

00E00FH

04Q:

00A015H

05Q:

070A01H

JMP:

01Q:

01ED82H

02Q:

00C048H

11Q:

01ED96H

03Q:

00D181H

4.2设计体会

本次课程设计要求我们设计一台微程序控制的模型机，设计基本模型机的指令系统（包括逻辑与，逻辑或，算术加，减运算，输入，输出，转移，传送指令），设计的目的是让我们增加自己的动手能力，真正的达到理论与实际的结合。

本次实验大体上分为两步。

首先，是连接电路。

其次，装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行，通过观察运行情况和数据在总线上的流动，了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义，并装载运行、检验运行结果。

这学期的学习后，让我对计算机的组成有了一个初步的认识，它的内部有很多的奥妙，理论性很强的。

在这次课程设计中，我在实验设计中结合理论学了不少东西。

因为课程设计是要求将以前在课堂上学的理论知识运用到实际的设计当中去，所以在设计过程中，我碰到各种各样的问题。

为了解决这些问题，我仔细认真的去翻阅自己以前学过但是以为已经了解熟悉的东西。

这在无形中帮助我加深对所学知10

识的了解及运用能力，并且让我明白什么地方是我们真正需要去关注的。

而且这样我对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解。

课程设计需要我不但通过翻阅复习以前学过的知识而且需要查阅更多的相关信息。

通过这次课程设计，我更进一步了解了计算机的组成，尤其对运算器、存储器和微程序控制器，有了非常透彻的认识。

并且对线路的连接与模型机的各个硬件的结构，以及微程序微指令的一些编制与设计有了一定的了解。

从一种微观的角度更加了解计算机模型机，这样我对于计算机的了解更加深入。

对于计算机的工作原理也有部分更深入的认识。

还体会到了实践动手和合作的重要性，以及做事要有计划和顺序.

这次通过实验的方法来学习计算机原理这门课程，感觉受益匪浅。

开始看计算机原理，觉得很多东西匪夷所思，不可理解，更不用提这次试验了。

很多原理性的东西如果不是真正和硬件结合起来，只限于纸上谈兵，或者只作些简单的照搬模式的小实验，那么事隔一段时间，恐怕很难有什么知识能在头脑中留下什么印象。

完成这次研制工作后，我们对很多原理有了更加感性化的认识，并且体会到了手工设计的艰辛，锻炼了动手能力和严谨求实的科学作风。

实验使我们对这门课的兴趣增加了，希望能有时间做一些更加深入的探索和研究。

通过本次课程设计，真正的发现理论与实际结合得重要性，有时并不是理论知识学得好动手能力就会高，当真正动起手来发现自己需要学得知识还是很多的，在以后的学习中，自己一定要加强理论与实际的结合，让自己达到新型社会需要人才的标准。

11

CP通道处

实际得分分数评分项目序号10学习态度认真、遵守纪律1

10设计分析合理性2

203设计方案正确性、可行性

30设计结果正确性4

10设计报告的规范性5

106实践环节的独立性与主动性10

设计验收7

8等级/总得分指导教师签名9

21