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 3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]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
1.绪论
课设目的及内容
课程设计目的
⑴在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。
⑵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。
课程设计内容
设计一台基本模型机，并实现相关的指令。
设计的原理
（1）运算器
设计中所用的运算器数据通路，其中运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成。
运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33）到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSD0～D7插座BUS1～6中的任一个相连，内部数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273（U29、U30）锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座ALUBUS，测试时通过8芯排线连至外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，通过数据开关输入的数据由LD0～LD7显示。
算术逻辑运算功能发生器74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M并行相连后连至SJ2插座，测试时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2，以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN、M来模拟74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其它电平控制信号LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB`、SWB`为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。
另有信号T4为脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。
带进位控制运算器增加进位控制部分，其中高位74LS181（U31）的进位CN4通过门UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B的输入端D，其写入脉冲由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得测试所需的单脉冲。
AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验。
从图中可以看出，AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74（UN5B）的时钟端CLK才有脉冲信号输入。
才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。
（2）存储器
主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED灯LAD0～LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由键盘提供，并经一三态门74LS245（U51）连至外部数据总线EXD0～EXD7，实验时将外部数据总线EXD0～EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0～BUSD7，分时给出地址和数据。
它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。
该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。
手动方式下，写信号由W/R`提供，片选信号由CE`提供；自动方式下，写信号由控制CPU的提供，片选信号由控制CPU的提供。
由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其实际使用容量为256字节。
6264有四个控制线：
CS1第一片选线、CS2第二片选线、OE读线、WE写线。
其功能如表3—4所示。
CS1片选线由CE`控制（对应开关CE）、OE读线直接接地、WE写线由W/R`控制（对应开关WE）、CS2直接接+5V。
（3）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SWB、SWA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SWB、SWA置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第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SWB、SWA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）
微代码定义如下表所示：
24
23
22
21
20
19
18
17
16
151413
121110
987
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
0
0
0
0
0
1
LDRi
0
1
0
LDDR1
0
1
1
LDDR2
1
0
0
LDIR
1
0
1
LOAD
1
1
0
LDAR
12
11
10
选择
0
0
0
0
0
1
RS-B
0
1
0
RD-B
0
1
1
RI-B
1
0
0
299-B
1
0
1
ALU-B
1
1
0
PC-B
9
8
7
选择
0
0
0
0
0
1
P
（1）
0
1
0
P
（2）
0
1
1
P（3）
1
0
0
P（4）
1
0
1
AR
1
1
0
LDPC
系统涉及到的微程序流程见图4-1，当拟定“取址”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）的测试结果出现多路分支。
本机用指令寄存器的前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，剩下的其它地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。
注意：
微程序流程图上的单元地址为8进制。
根据以上要求设计通路框图如下：
控制台
基本整机模型数据框图如图2-1所示，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。
图2-1：
模型机的数据通路图
微程序流程图如下所示：
图4-1微程序流程图
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
011111
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
000000011
110
001
000
011001
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
31
000000001
001
000
000
011010
32
000000011
110
110
110
011011
33
000000001
110
000
000
011100
34
000000001
011
000
000
011101
35
000000011
010
001
000
011110
36
000000011
001
101
000
000001
37
000000101
000
001
000
000001
2.机器指令程序
相应机器指令程序如下：
地址（二进制）内容（二进制）助记符说明
0000000000000000IN“05”→R0
0000000100100000STA[1AH]R0→[1AH]
0000001000011010
0000001100000000IN“01”→R0
0000010000100000STA[1BH]R0→[1BH]
0000010100011011
0000011000000000IN“1AH”→R0
0000011101010000SUBR0-[1BH]→R0
0000100000011011
0000100100100000STA[1CH]R0→[1CH]
0000101000011100
0000101100110000OUT[1CH]
00001100000111OO
0000110101000000JMP[00H]00H→PC
0000111000000000
3.实验步骤
㈠按图4-2连接实验线路。
㈡写程序
方法一：
手动写入
①先将机械指令对应的微代码正确地写入2816中，由于在实验（三）微程序控制试验中已将微代码写入E2PROM芯片中，对照表4-2校验正确后就可以使用。
②使用控制台KWE和KRD微程序进行机械指令程序的装入和检查。
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），微地址寄存器清零，程序计数器清零。
然后使用控制台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，微地址显示灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，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，机器指令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，只要在微地址灯显示“010100”时才设置内容，直到所有指令写完。
C．写完程序后需进行检验。
拨动总清开关CLR（0→1）后，微地址清零，PC程序计数器清零，然后使用控制台SWB、SWA开关置为“00”。
按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010000”，再按动一次START，微地址显示灯显示“010010”，第三次按动START，微地址显示灯显示“010111”，此时总线单元的显示灯显示的该首地址内容。
不断按动START，可检验后续单元内容，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：
$P0000
$P0120
$P021A
$P0300
$p0420
$p051B
$P0600
$P0750
$P081B
$PO920
$P0A1C
$P0B30
$P0C1C
$P0D40
$P0E00
$M00108101
$M0182ED01
$M0248C000
$M0304E000
$M0505B000
$M0506A201
$M06019A95
$M071FE000
$M08011000
$M0983ED01
$M0A87ED01
$M0B8EED01
$M0C96ED01
$P0D19E201
$M0E0FE000
$M0F15A000
$M1092ED01
$M1194ED01
$M1217A000
$M15010A07
$M1681D100
$M17100A07
$M18118A06
$M191A9000
$M1A9BED00
$M1B1CE000
$M1C1DB000
$M1D1EA201
$M1E019A61
$M1F018202
用联机软件的传送文件功能（F4）将该格式文件传入试验系统即可。
4.线路连接图
图4-2实验连线图
运行步骤
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，程序首地址为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．当运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。
A．使“STATEUNIT”中的STEP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。
内部寄存器选择电路：
5.程序流程及说明
6.心得体会
这次的课程设计题目是基本模型机的设计与实现，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。
并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。
以前都只是在使用计算机，对它内部的部件组成和构造不是特别的清楚，在课程设计的最初阶段，我没有急于进行具体的设计，而是先理清思路，明确自己要做的工作是什么，如何来实现基本模型机的相关功能。
这些前期的准备工作虽然用去了我很多的时间，但是最后的结果证明，我这样的方法是正确的。
课程设计就像是一个系统工程，内容多而复杂，必须先在整体上进行宏观的把握，然后再具体的进行实施。
如果开始的方向就不对，那后面的改进就会很麻烦。
但是由于课程设计时间较短，所以该模型机还有许多不尽人意的地方。
二周的课程设计，提高了我的实际操作能力，从以前所学理论上升到实践，真正做到了学有所用。
设计中遇到的最为困难的也是在微指令设计中对微指令的每一位的正确判断，为了能正确识别每一位微指令，我们再次做了组成原理实验，加深对时序和数据流向的认识和理解。
通过这次课程设计，我的收获很多。
课程设计不仅巩固我的理论知识，将理论和实践结合起来，锻炼了我的动手能力，也让我认识到自己的不足之处，争取以后能克服这些缺点，更进一步提高自己各个方面的能力。
参考文献
[1]《计算机组成原理实验指导书》
[2]王爱英.计算机组成与结构[M].北京：
清华大学出版社,2007.
[3]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.
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