计算机组成原理课设.docx

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计算机组成原理课设

课程设计（论文）任务书

软件学院软件工程专业2班

一、课程设计（论文）题目___基本模型机设计与实现________________________

二、课程设计（论文）工作自2011_年_6_月_20_日起至__2011年_6_月_24_日止。

三、课程设计（论文）地点:

_________计算机组成原理实验室（5#301）__________

四、课程设计（论文）内容要求：

1．课程设计的目的

通过课程设计的综合训练，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步掌握

整机概念。

培养学生实际分析问题、解决问题和动手能力，最终目标是想通过课

程设计的形式，帮助学生系统掌握该门课程的主要内容，更好地完成教学任务。

2．课程设计的任务及要求

1）基本要求

（1）课程设计前必须根据课程设计题目认真查阅资料；

（2）实验前准备好实验程序及调试时所需的输入数据；

（3）实验独立认真完成；

（4）对实验结果认真记录，并进行总结和讨论。

2）课程设计论文编写要求

（1）按照书稿的规格撰写打印课设论文

（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、附录等

（3）正文中要有问题描述、实验原理、设计思路、实验步骤、调试过程与遇

到问题的解决方法、总结和讨论等

（4）课设论文装订按学校的统一要求完成

3）课设考核

从以下几方面来考查：

（1）出勤情况和课设态度；

（2）设计思路；

（3）代码实现；

（4）动手调试能力；

（5）论文的层次性、条理性、格式的规范性。

4）参考文献

[1]王爱英.计算机组成与结构[M].北京：

清华大学出版社,2007.

[2]王爱英.计算机组成与结构习题详解与实验指导[M].北京：

清华大学出版社,2007.

5）课程设计进度安排

内容天数地点

构思及收集资料1图书馆

实验与调试3实验室

撰写论文1图书馆

6）任务及具体要求

设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条简单的计算机指令，其中至少包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算指令，程序控制指令。

学生须根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单机器指令程序。

将实验设备通过串口连接计算机，通过联机软件将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通过联机软件显示和观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符合设计要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。

学生签名：

2011年6月20日

课程设计（论文）评审意见

（1）设计思路：

优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；

（2）代码实现　：

优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；

（3）完成调试能力评价　　：

优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；

（4）论文格式规范性评价：

优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；

（5）考勤和态度：

优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；

评阅人：

　职称：

讲师

2011年6月28日

目录

绪论4

1.课设题目4

2.课设目的4

3.课设要求4

正文5

1、问题描述5

2、实验原理5

3、设计思路8

4、实验步骤与调试9

5、总结12

6、参考文献13

绪论

1.课设题目

基本模型机设计与实现

2.课设目的

1、在掌握部件单元电路实验的基础上，将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块组合成一起，组成一台基本模型计算机。

2、为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。

3.课设要求

基本要求：

（1）课设前必须根据课程设计题目认真阅读资料；

（2）实验前准备好实验程序以及调试时所需的输入数据；

（3）实验独立认真完成；

（4）对实验结果认真记录，并进行总结和讨论。

课设论文编写要求：

（1）按照书稿的规格撰写打印课设论文

（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、附录等

（3）正文中要有问题描述、实验原理、设计思路、实验步骤、调试过程与遇问题的解决方法、总结和讨论等

（4）课设论文装订按学校的统一要求完成

正文

1、问题描述

通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，尝试设计六条机器指令，并编写相应的微程序，完成由基本单元电路构成一台基本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。

在设计基本模型机4的实验过程中，个别部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。

这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一条微程序。

本课程设计要求实现六条机器指令：

IN（输入），与AND（逻辑乘），STA（存数），OUT（输出），或OR（逻辑加），异或XOR（逻辑异）的输入，输出。

重点主要在逻辑运算的设计中。

2、实验原理

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本实验采用五条机器指令：

IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、

OUT（输出）、JMP（无条件转移）。

其中IN为单字长，其余为双字长指令。

为了向RAM中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还必须设计三个控制台操作微程序.

存储器读操作（KRD）:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB,SWA为“00”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作.

存储器写操作（KWE）:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为“01”时,按START微动开关可对RAM进行连续手动写入.

启动程序:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为“11”时,按START微动开关,既可转入到第01号“取址”微指令,启动程序运行.

上述三条控制台指令用两个开关SWBSWA的状态来设置,其定义如下：

SWB

SWA

控制台指令

0

0

1

0

1

1

读内存（KRD）

写内存（KWE）

启动程序（RP）

微代码定义如下表4-1所示：

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

S3

S2

S1

S0

M

Cn

WE

A9

A8

A

B

C

uA5

uA4

uA3

uA2

uA1

uA0

A字段B字段C字段

15

14

13

选择

12

11

10

选择

9

8

7

选择

0

0

0

.0

0

0

0

0

0

0

0

1

LDRi

0

0

1

RS_G

0

0

1

P

（1）

0

1

0

LDDR1

0

1

0

RD-B

0

1

0

P

（2）

0

1

1

LDDR2

0

1

1

RI-B

0

1

1

P（3）

1

0

0

LDIR

1

0

0

299-B

1

0

0

P（4）

1

0

1

LOAD

1

0

1

ALU-B

1

0

1

AR

1

1

0

LDAR

1

1

0

PC-B

1

1

0

LDPC

根据以上要求设计数据通路框图如下：

当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P

（1）测试。

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）测试结果出现多路分支。

本次课程设计用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。

控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWB，SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。

当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。

微程序流程图如下图4-1：

当全部程序设计完毕后，应将每条指令代码化，表4-2即为将微程序流程图

按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。

表4-2二进制代码表

微地址

S3S2S1S0MCNWEA9A8

A

B

C

UA5---UA0

00

000000011

000

000

100

010000

01

000000011

110

110

110

000010

02

000000001

100

000

001

001000

03

000000001

110

000

000

000100

04

000000001

011

000

000

000101

05

000000011

010

001

000

000110

06

100101011

001

101

000

000001

07

000000001

110

000

000

001101

10

000000000

001

000

000

000001

11

000000011

110

110

110

000011

12

000000011

110

110

110

000111

13

000000011

110

110

110

001110

14

000000011

110

110

110

010110

15

000000101

000

001

000

000001

16

000000001

110

000

000

001111

17

000000001

010

000

000

010101

20

000000011

110

110

110

010010

21

000000011

110

110

110

010100

22

000000001

010

000

000

010111

23

000000011

000

000

000

000001

24

000000000

010

000

000

011000

25

000001110

000

101

000

000001

26

000000001

101

000

110

000001

27

000001110

000

101

000

010000

30

000001101

000

101

000

010001

本实验设计机器指令程序如下：

地址（二进制）内容（二进制）助记符说明

0000000000000000IN"INPUTDEVICE"→R0

0000000100010000ADD[0AH]R0+[0AH]→R0

0000001000001010

0000001100100000STA[0BH]R0→[0BH]

0000010000001011

0000010100110000OUT[0BH][0BH]→BUS

0000011000001011

0000011101000000JMP[00H]00H→PC

0000100000000000

00001001

0100101000000001自定

01001011求和结果

3、设计思路

需求分析：

一台计算机所能执行的各种指令集合称为指令系统或指令集。

一台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。

因此，指令系统就是计算机的机器语言。

指令系统表征着计算机的基本功能和使用属性，它是计算机系统设计中的核心问题。

指令系统的设计主要括指令功能、操作类型的设计，寻址方式和指令格式的设计。

计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系，指令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。

指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。

通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。

功能分析：

该系统实现的功能是对输入的数据可以和内存中的数据进行连续的加、减及循环左移运算，并对其结果进行存储，显示等功能，从而得到一个简易的复杂模型机所实现的功能。

4、实验步骤与调试

（1）连接实验线路如下4-3图

（2）写程序

方法一：

手动写入

先将机器指令对应的微代码正确的写入2816中，由于在实验（三）微程序控制实验中已将微代码写入E2PROM芯片中，对照表4-2校正正确后就可使用。

使用控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。

A．使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR（0→1），微地址寄存器清零，程序计数器清零。

然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”。

按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010001”，再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器命令，按动一次START键，即完成该条指令的写入。

若仔细阅读KWE的流程，就不难发现，机器地址的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。

C．写完程序后须进行检验。

按动总清开关CLR（0→1）后，微地址清零，PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动START，微地址灯显示“010000”，再按START，微地址灯显示“010010”，第三次按START，微地址灯显示为“010111”，此时总线单元的显示灯显示为该地址的首内容。

不断按动START,可检查后续单元内容，注意：

每次仅在微地址灯显示为“010111”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。

方法二：

联机读/写程序

按照规定格式，将机器指令及表4－2微指令二进制表编辑成十六进制的如下格式文件。

程序机器指令格式说明：

$P0000$XX（十六进制地址）XX（机器指令代码）

$P0110$MXX（十六进制地址）XXXXX（微地址代码）

$P020A

$P0320

$P040B注意：

因系统格式文件要求，微地址格式文件和控制存储器

$P0530的微指令代码的第一字节（前8位）与第三字节（后8位）

$P060B对换一下。

$P0740

$PA800

$PA01

$M00108101

$M0182ED01

$M0248C000

$M0304E000

$M0505B000

$M0506A201

$M06019A95

$M070DE000

$M08011000

$M0983ED01

$M0A87ED01

$M0B8EED01

$M0C96ED01

$M0D018202

$M0E0FE000

$M0F15A000

$M1092ED01

$M1194ED01

$M1217A000

$M13018001

$M14182000

$M15010A07

$M1681D100

$M17100A07

$M18118A06

用联机软件的传送功能（F4）将该格式文件传入实验系统即可。

（3）运行程序

单步运行程序

A．使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR（0→1），微地址清零，PC计数器清零。

程序首地址00H。

C．单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。

对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。

D．运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。

连续运行程序

A．将“STATEUNIT”中的STEP的开关置于“EXEC”状态，STOP开关置为“RUN”状态。

B．拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。

C．停机后，可检查存数单元（0B）结果是否正确。

若联机运行程序时，进入DEBUG调试界面，总清开关CLR（0→1）清零后，程序首地址为00H，按相应功能键即可联机运行、调试程序。

5、总结

通过本次课程设计，不仅把前面的实验进行了一定的复习又在其基础上进行了一定的扩展应用。

不过在实验的过程中自己也遇到了不少麻烦，发现自身存在很多的不足。

虽然这次实验并不是特别的复杂，但是由于自己对前面所学知识掌握的不扎实，也给自己带来了不小的麻烦。

这次课程设计的目的是做一台模型机，当我刚看到题目的时候，一下子就懵了，因为有很多知识都不懂，更别说去应用了。

加上以前上机都认为只要完成任务就行了，根本没有特别认真的去解决自己的问题。

导致本次课程设计遇到了极大的困难，根本不知道从何入手。

由于计算机设计的部件较多，结构原理较复杂，对于我这样来的人来说感到无所事事，所以我只能在别人的指导下由浅入深，由简单到复杂，一步一步去做。

通过这次设计，使我清楚的了解计算机的基本组成，基本原理和设计步骤，设计思路和调试步骤，最终能清晰的建立起整机概念，为独立完成计算机设计奠定了基础。

在这一过程中学到了很多解决问题的方法，这些收获是巨大的。

虽然本次课设已经结束了，但是我不仅从中对所学知识进行了一定的复习，其实准确的说更像是进一步的学习，学到了不少解决问题的方法，也学会了配合他人。

我一定会在自己今后的学习生活中更加的努力，做个合格的学生。

最后，感谢老师在本次课程设计中给我的帮助。

6、参考文献

王爱英计算机组成与结构[M]北京清华大学出版社，2007

王爱英计算机组成与结构习题详解与实验指导北京清华大学出版社，2007