计算机组成原理课程设计报告文档格式.docx
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学生姓名
班级
总体设计要求和技术要点
掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。
（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；
（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；
（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；
（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；
（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现具有计算四则运算及逻辑运算的功能；
（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。
工作内容及时间进度安排
总计2周：
1.12月19日：
资料查阅、选题、系统总体设计
2.12月20日-12月23日：
熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制
3.12月26日－30日：
系统调试与运行，成果验收
4.12月30日：
上交设计报告
课程设计成果
1.课程设计硬件系统及配套软件
2.课程设计报告书
摘要
本实验利用EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统组建电路，综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现，并构造一个指令系统，编写机器指令实现不同的具体功能，如实现数据的输入、输出、加法、减法、移位、乘法以及赋值等运算的功能。
关键词：
微代码机器指令数据输入/输出算术逻辑运算
目录
第一章绪论1
1.1课程设计地点1
1.2课程设计目的1
1.3课程设计的意义1
1.4课程设计的主要内容和要求1
1.5课程设计的环境1
第二章基础知识2
2.1概述2
2.2主要技术要点3
2.2.1ALU部件3
2.2.2.存储体3
2.2.3控制器3
第三章指令系统5
3.1数据格式5
3.2指令格式5
3.3指令系统6
第四章微代码设计与实验8
4.1微代码设计8
4.2实验微代码10
第五章设计内容12
5.1设计内容12
5.2程序代码12
第六章系统实现13
6.1硬件连线图13
6.2系统实现步骤13
6.3测试用例16
总结19
参考文献20
第一章绪论
1.1课程设计地点
图书馆5楼西侧软件工程实验室。
1.2课程设计目的
本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。
通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。
1.3课程设计的意义
通过对复杂模型机组成的研究以及对微程序、微代码、机器指令的深入理解，进一步增强对计算机组成的学习，巩固以前所学知识，并对以后的学习打下坚实的基础。
1.4课程设计的主要内容和要求
（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现比较完整的模型机功能；
要求画出系统模块框图：
按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；
并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。
检查模块逻辑功能是否正确；
（7）在EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统上，编写机器指令，实现数据的输入,输出，移位以及加法等运算功能。
1.5课程设计的环境
EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统。
第二章基础知识
2.1概述
计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。
计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核（逻辑线路），第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。
计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。
计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。
图2.1微处理器结构
（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。
运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。
（2）存储器是存放数据和程序的部件。
计算机中的存储器按功能分为主存、辅存和高速缓冲存储器CACHE，由这3类存储器构成存储系统的层次结构。
（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、指令译码器和时序控制器等部件。
（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。
2.2主要技术要点
2.2.1ALU部件
ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。
它的基本逻辑结构是先行进位加法器。
74181是国际流行的4位ALU中规模集成电路，能对两个4位二进制代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。
16种运算又由S3S2S1S0四位控制选择。
用表示ALU的最低位进位输入，用+4表示ALU的进位输出信号。
2.2.2.存储体
静态MOS存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。
存储体是存储单元的集合。
地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。
控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。
2.2.3控制器
CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。
对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。
控制器组成如下：
（1）指令计数器：
存放要执行的下一条指令的地址。
（2）指令寄存器：
存放现行指令。
（3）指令译码器：
对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件。
（4）脉冲源及启停控制电路：
脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动和停机。
（5）时序信号产生部件：
以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。
（6）操作控制信号形成部件：
综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。
（7）中断机构：
对异常情况和外来请求处理。
（8）总线控制逻辑：
对总线信息传输控制。
操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。
该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或可编程逻辑阵列PLA方式。
微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。
微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。
微指令的每一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。
微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应一段微程序。
计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。
每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。
第三章指令系统
3.1数据格式
本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，格式如下：
表3-1补码表示表
15
1413..................0
符号
尾数
其中，第16位为符号位，数值表示范围是：
-32768~32767。
3.2指令格式
（1）算术逻辑指令
设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。
其格式如下：
表3-2寻址方式表示表
7654
32
10
OP-CODE
rs
rd
其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：
表3-3操作码表
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
指令
CLR
MOV
ADD
SUB
INC
AND
NOT
ROR
ROL
表3-4寄存器表
rs或rd
选定寄存器
00
Ax
01
Bx
10
Cx
（2）存储器访问及转移指令
存储器的访问有两种，存数和取数。
它们都使用助记符MOV，但操作码不同。
转移指令只有一种，及无条件转移（JMP）。
指令格式如下：
表3-5存储器的访问表
76
54
M
OP-CODE
rd
D
其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。
M为寻址模式，D随M的不同其定义也不同，如下表所示：
表3-6操作码表
00
01
10
指令说明
写存储器
读存储器
转移指令
表3-7寻址模式表
寻址模式M
有效地址E
D定义
说明
E=（PC）+1
立即数
立即寻址
E=D
直接地址
直接寻址
11
E=100H+D
扩展直接寻址
（3）I/O指令
输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：
表3-8I/O操作码表
addr
其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；
当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。
3.3指令系统
本实验共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。
下表列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。
表3-9指令格式表
汇编符号
指令的格式
功能
MOVrd,rs
ADDrd,rs
SUBrd,rs
INCrd
ANDrd,rs
NOTrd
RORrd
ROLrd
rs→rd
rs+rd→rd
rd-rs→rd
rd+1→rd
rs∧rd→rd
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