计算机组成原理课程设计Word文件下载.docx

计算机组成原理课程设计Word文件下载.docx

《计算机组成原理课程设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理课程设计Word文件下载.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

F=A加1

0001

F=/（A+B）

F=（A+B）

F=（A+B）加1

0010

F=（/A）B

F=A+/B

F=（A+/B）加1

0011

F=0

F=负1（补码形式）

0100

F=/（AB）

F=A加A（/B）

F=A加A/B加1

0101

F=/B

F=（A+B）加A/B

F=（A+B）加A/B加1

0110

F=A⊕B

F=A减B减1

F=A减B

0111

F=A/B

F=A（/B）减1

F=A（/B）

1000

F=/A+B

F=A加AB

F=A加AB加1

1001

F=/（A⊕B）

F=A加B

F=A加B加1

1010

F=B

F=（A+/B）加AB

F=（A+/B）加AB加1

1011

F=AB

F=AB减1

1100

F=1

F=A加A

F=A加A加1

1101

F=（A+B）加A

F=（A+B）加A加1

1110

F=A+B

F=（A+/B）加A

F=（A+/B）加A加1

1111

F=A减1

（上表中的“/”表示求反）

ALU-74LS181引脚说明：

M=1逻辑运算，M=0算术运算。

引脚

说明

M状态控制端

M=1逻辑运算；

M=0算术运算。

S3S2S1S0运算选择控制

S3S2S1S0决定电路执行哪一种算术

A3A2A1A0

运算数1，引脚3为最高位

B3B2B1B0

运算数2，引脚3为最高位

Cn最低位进位输入

Cn=0有进位，Cn=1无进位；

Cn+4本片产生的进位信号

Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位；

F3F2F1F0

F3F2F1F0运算结果，F3为最高位

实验内容：

电路如图所示

按图搭好实验电路图，点击开关“运行”按钮，验证74LS181型4位ALU的逻辑算数功能，填写如下表：

S0S1S2S3

数据1

数据2

算术运算（M=0）

（M=1）

0000

AH

5H

F=AH

F=BH

F=5H

F=FH

F=0H

FH

1H

F=DH

F=EH

F=6H

F=4H

总结及心得体会：

在实验一中，我初次近距离的接触到了书本上的一些电路、芯片，通过实验，我更加熟悉了算数运算和逻辑运算，也对电路也有了一定的了解和掌握，通过实际的运用和对难题的解决让我积累了经验，为后面的两个实验打下了基础。

试验二运算器

运算器

（1）.熟练掌握算术逻辑单元（ALU）的应用方法；

（2）.进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；

（3）.熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法。

本实验仿真单总线结构的运算器，原理如图2-2所示。

相应的电路如图2-3所示。

电路图中，最右边的像5线谱的器件模拟8位数据总线；

与74LS244连接的8个开关产生所需数据记为K8；

74LS244为三态门电路，用于设置各个寄存器的值，切记总线上只能有一个输入；

两个74273部件作为暂存工作寄存器DR1和寄存器GR1和GR2；

两个74374不见作为通用寄存器组（鉴于电路排列情况，只画出两个通用寄存器GR1和GR2，如果可能的话可设计4个或8个通用寄存器）；

众多的开关作为控制电平或打入脉冲；

众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；

核心为8位ALU层次块。

图2-2单总线结构的运算器示意图

按图2-3搭建电路，完成如下操作。

（1）说明整个电路工作原理。

（2）说明74LS244N的功能及其在电路中的作用，及输入信号G有何作用；

（3）说明74LS273N的功能及其在电路中的作用，及输入信号CLK有何作用；

（4）说明74LS374N的功能及其在电路中的作用，及输入信号CLK和OC有何作用；

（5）K8产生任意数据存入通用寄存器GR1。

（6）K8产生任意数据存入通用寄存器GR2。

（7）完成GR1+GR2→GR1。

（8）完成GR1-GR2→GR1。

（9）完成GR1∧GR2→GR1。

（10）完成GR1∨GR2→GR1。

（11）完成GR1⊕GR2→GR1。

（12）~GR1→GR2。

（“~”表示逻辑非运算）

（13）~GR2→GR1。

图2-3运算器示意图

（1）：

电路中74LS244芯片是驱动输入的，通过八个控制开关输入数据，然后将数据送至总线上，然后通过两个74LS374锁存器将数据显示在两个LED上，并将数据通过总线分别送至两个74LS273寄存器中，然后送至74LS181算术逻辑单元函数发生器中，通过逻辑运算最终将结果显示在LED上并将数据送至总线上。

（2）：

74LS244N在电路中主要负责驱动输入，输入信号G的作用低电平有效，而高电平输出高阻，也就是锁存控制端。

（3）：

74LS273N是起寄存作用的触发器，输入信号CLK是低电平复位清零

（4）：

74LS374N是三态反相八D锁存器，输入信号CLK主要是所存控制端，OC为低电平CLK随输入而变化。

（5）：

演示（5）~（13）举例（11）

首先先将电路至初值，然后将74LS181芯片的M端至1，然后将S0，S1，S2，S3，至0110，然后将两片74LS273的CLR端至1，打开然后在74LS244中输入第一个数据，点击74LS374（0）单脉冲，将数据存入GR1中，数据则会显示在LED上然后点击74LS273

（1）单脉冲，则第一个数据就被送至74LS181芯片中了，并会显示在最上面的LED上，重复上一步，输入第二个数据，送至74LS181中，然后通过运算，GR1⊕GR2的结果就会显示在最上面的LED上，并且数据会送入总线上，然后点击74LS374（0）的单脉冲，总线上的数据就被送入到GR1中了。

在试验二中，我进一步的了解到了更多的芯片，并且通过实践，加深了对每一个芯片功能的掌握，掌握了算术逻辑单元（ALU）的应用方法，有关数字元件的功能和使用方法，通过不断地请教学习，基本掌握了运算器的功能与运算。

试验三模拟机设计

模拟机设计

（1）.掌握微程序执顺序强制改变的原理；

（2）.掌握机器指令与微程序的对应关系；

（3）.掌握机器指令的执行流程；

（4）.本实验提供了五条机器指令，编写相应的微程序，并调式验证，形成整机概念。

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，如运算器试验中对74LS181芯片的控制，存储器试验中对存储器芯片的控制信号，以及几个实验中对输入设备的控制。

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段微程序。

图2-4中包括运算器，存储器，微控器，输入设备，输出设备以及寄存器。

这些部件的动作控制信号都有微控制器根据微指令产生。

需要特别说明的是由机器指令构成的程序存放在存储器中，而每条机器指令对应的微程序存储在微控制器的存储器中。

（1）运算器。

运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。

在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8位的运算器，ALU_G是ALU-G实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU的运算结果进行移位运算；

数据暂存器在图1中由DR1和DR2组成，DR1和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；

通用寄存器在图1中由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。

（2）控制器。

控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。

在图1中微程序控制器表示为MControl，它里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现（A138、B138和P138），用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；

在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；

在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于指明要读取或写入的地址；

程序计数器在图1中由PC_G和PC组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。

（3）存储器。

存储器在图1中表示为MEN，存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。

（4）数据总线。

数据总线用于连接运算器、存储器、输入输出等模块，数据总线由ccp_DataBus实现。

（5）输入输出。

输入输出类似于键盘和显示器。

（6）时序产生器。

在图1中T1、T2、T3和T4等控制信号都是由时序产生器生产，时序产生器由时序电路实现如图2所示，时序产生器一个周期中产生四个脉冲信号T1~T4，这四个脉冲信号用于控制组件的执行顺序，组件在这些信号的控制下有序的执行，一个周期中完成一条微指令的执行。

图2时序产生器

模型机的工作过程可以归纳如下：

（1）控制器把PC中的指令地址送往地址寄存器AR，并发出读命令。

存储器按给定的地址读出指令，经由存储器数据寄存器MDR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。

（2）指令译码器ID对指令寄存器IR中的指令进行译码，分析指令的操作性质，并由控制电路向存储器、运算器等有关部件发出指令所需要的微命令。

（3）当需要由存储器向运算器提供数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往地址寄存器AR，然后向存储器发出读命令，从存储器中读出的数据经由存储器数据寄存器MDR送往运算器。

（4）当需要由运算器向存储器写入数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往存储器地址寄存器AR，再将欲写的数据存入存储器数据寄存器MDR，最后向存储器发出写命令，MDR中的数据即被写入由MAR指示地址的存储单元中。

（5）一条指令执行完毕后，控制器就要接着执行下一条指令。

为了把下一条指令从存储器中取出，通常控制器把PC的内容加上一个数值，形成下一条指令的地址，但在遇到“转移”指令时，控制器则把“转移地址”送入PC。

控制器不断重复上述过程的

（1）到（5），每重复一次，就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕

图2-4运算器示意图

模型机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段微程序。

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），其指令格式如下（前４位为操作码）：

助记符机器指令码说明

IN00000000“INPUTDEVICE”中的开关状态–>

RO

ADDaddr00010000×

×

二进制加法R0+[addr]–>

R0

STAaddr00100000×

存数RO–>

[addr]

OUTaddr00110000×

输出[addr]–>

LED

JMPaddr01000000×

无条件转移addr–>

PC

其中IN为单字长（８位）指令，其余为双字长指令，×

为addr对应的二进制地址码。

各机器指令对应的微程序如下：

微地址

S3S2S1S0MCNWEA9A8

A

B

P

UA5…UA0

00

000000011

000

100

010000

01

110

000010

02

000000001

001

001000

03

000100

04

011

000101

05

010

000110

06

100101011

101

000001

07

001101

10

000000000

11

000011

12

000111

13

001110

14

010110

15

000000101

16

001111

17

010101

20

010010

21

010100

22

010111

23

24

011000

25

000001110

26

27

30

000001101

010001

（1）选择实验设备，将所需要的组件从组建列表中拖到实验设计流程栏中

（2）搭建实验流程：

根据原理图2-4和电路图2-5，将已选择的组件进行连线，或

者也可以在系统的菜单栏中选择“实验”，再选择“模型及实验”即可。

（3）输入机器指令：

选择菜单中的“工具”，再选择“模型机调试”，在指

令输入窗口中输入如下指令：

00000000

00010000

00001001

00100000

00001011

00110000

01000000

00000001

然后点击“输入”按钮，即可将程序输入到内存中，如图2-5所示。

图2-5输入程序示意图

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

00000000

INRO

“INPUTDEVICE”→RO

00000001

00010000

ADD[O9H],RO

RO+[OAH]→RO

00000010

00001001

00000011

00100000

STARO,[OBH]

RO→[OBH]

00000100

00001011

00000101

00110000

OUT[OBH]

[OBH]→LED

00000110

00000111

01000000

JMPOOH

OOH→PC

00001000

运算数据

自定

求和结果

（4）这里做的是个加法运算，第一个加数已经存入到内存的00001010单元中，第二个加数是需要手工输入的。

在实验运行面板中打开电源开关,选择“输入”芯片，设置输入的数据后，双击连接“输入”芯片的单脉冲，如图2-6所示，这样第二个加数就设置好了。

图2-6

（5）模型机有两种运行方式，一种是在实验面板中运行，一种是在模型机调试窗口中运行。

在实验面板中运行：

如图2-7所以，在实验面板中双击单脉冲模型机即执行一个时钟（一条微指令的执行需要4个时钟），在实验面板中双击连续脉冲模型机则会按一个时钟接一个时钟的连续的执行直到关闭电源。

图2-7

在模型机调试窗口中运行：

在模型机调试窗口中点击“指令执行”选项卡，在模型机调试窗口中点击“下一时钟”，模型机机执行到下一个时钟，点击“下一微指令”，模型机机执行到下一个微指令，点击“下一指令”，模型机机执行到下一条指令，如图2-8所示。

图2-8模型机调式窗口

图2-9模型机电路图

至此，三个计算机组成原理课程设计的三个实验都已经做完了，在第三个试验中，通过操作，加强了对平台软件的应用，能编写有限机器指令的微程序并能正确地运行得到相应结果。

从一开始的微指令结构认识到后来的微指令的写入再到后来的微程序的编写运行以及调试使得我熟悉了微程序的工作流程以及微指令执行的原理，我熟悉了基本模型计算机的整体结构以及局部结构，而且还使得我对机器指令的工作原理、工作过程、计算机内部各个硬件指令的结构与联系、微程序的编写、运行流程、运行控制等有了实质性的理解和体会。

总结这次课程设计，虽然自己的能力有限，但是通过老师的指导，同学的请教，让我在一次次调试冲不断收获着知识，不断地失败，不断地重来，让我明白了做一件事不单单需要智慧更需要的是一颗持之以恒的心，在这次课程设计中，我不单收获了知识，也收获了许多老师同学们地经验，我相信在我今后的计算机路上能给与我不断的帮助。