计算机组成原理课设.docx
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计算机组成原理课设
一、课程设计的原始资料及依据
查阅有关计算机组成原理的教材、实验指导书等资料，进一步熟悉微程序控制器原理，微指令的设计方法。
在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上，进一步将各部件组成系统，构造一台基本模型计算机。
为给定的机器指令编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。
二、课程设计主要内容及要求
1．认真阅读资料，掌握给定的机器指令的操作功能。
2．分析并理解数据通路图。
3．根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。
4．根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序，形成“二进制微指令代码表”。
5．全部微程序设计完毕后，将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。
6．进行机器指令程序的装入和检查。
7．运行程序，检查结果是否和理论值一致。
8．IN、ADD、JMP指令为必做指令，另外新定义1条机器指令重复上述过程。
各组要求新定义的机器指令如下：
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
1
AND[addr]
R0AND[addr]->R0
6
NOT[addr]
2
OR[addr]
R0OR[addr]->R0
7
DEC[addr]
[addr]-1->R0
3
XOR[addr]
R0XOR[addr]->R0
8
LOD[addr]
[addr]->R0
4
SUB[addr]
R0-[addr]->R0
9
DECR
R0-1->R0
5
ROA[addr]
9．STA和OUT指令为选做指令，供有能力的学生完成。
10．记录出现故障的现象，并对故障进行分析，说明排除故障的思路及故障性质。
11．独立思考，认真设计。
遵守课程设计时间安排。
12．认真书写课程设计说明书，避免相互抄袭。
三、对课程设计说明书撰写内容、格式、字数的要求
1．课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体，主要内容包括：
设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、设计小组评语、参考文献等。
一般不应少于3000字。
2．在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。
应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
3．设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会，包括通过课程设计有何收获，程序有哪些不足之处，哪里遇到了困难，解决的办法，以及今后的目标。
设计小组评语处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员，并由设计组组长给出评语。
评语包括该同学主要完成了哪些任务，课程设计期间的表现和态度如何，组长自己的评语由小组其他成员集体讨论后写出。
4．课程设计说明书手写或打印均可，具体要求如下：
●手写时要用学校统一的课程设计用纸，用黑或蓝黑墨水工整书写；
●打印时采用A4纸，页边距均为20mm，章标题（如:
2设计原理及内容）和目录、摘要、参考文献、设计小组评语等部分的标题用小三号黑体，上下各空1行，居中书写；一级节标题（如:
2.1设计原理）采用黑体四号字，二级节标题（如:
2.1.1数据通路）采用黑体小四号字，左对齐书写。
●正文采用宋体小四号字，行间距18磅，每个自然段首行缩进2个字。
●图和表的要有编号和标题，如：
图2.1数据通路图；表1.1机器指令表。
图题与表题采用宋体五号字。
表格内和插图中的文字一般用宋体五号字，在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。
●英文字体和数字采用TimeNewRoman字体，与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。
●页码用五号字，在每页底端居中放置。
5．课程设计说明书装订顺序为：
封面、任务书、成绩评定表、目录、正文、参考文献、设计小组评语。
在左侧用订书钉装订，不要使用塑料夹。
四、设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求
1．完成“基本模型机”中指定机器指令的操作功能，运行稳定。
2．撰写课程设计说明书。
五、时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
第1天
（12月8日）
阅读资料、系统分析设计
2
第2天
（12月9日）
系统分析设计、微程序编制
3
第3-4天
（12月10日-11日）
微程序输入、调试及运行
4
第5天
（12月12日）
基本模型机运行验收
按组号验收
5
第6-7天
（12月13日-14日）
撰写课程设计说明书
六、主要参考资料（文献）
[1]王健、王德君.计算机组成原理实验指导书.沈阳工程学院,2005
[2]白中英.计算机组成原理（第4版）.北京:
科学出版社,2007
[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京:
清华大学出版社,2004
[4]唐朔飞.计算机组成原理.北京:
高等教育出版社,2000
计算机组成原理课程设计
设计小组任务分配及自评
组号
第8组
组长
韦鑫
全体成员
任务
学号：
27
姓名：
韦鑫
学号：
06
姓名：
于雪梅
学号：
05
姓名：
李玉婷
分配微地址
√
控制台操作编码
√
实验电路接线
√
IN指令
√
ADD指令
√
JMP指令
√
新指令【LOD】
√
STA指令（选做）
√
OUT指令（选做）
√
出勤情况
良好中等差
良好中等差
良好中等差
课程设计说明书
撰写比例
60%
20%
20%
备注
设计小组自评
韦鑫：
在本次设计的过程中，在总体的设计和构思上比较清晰，在帮助组员解决问题的同时也加深了并牢牢巩固了知识，尤其在共同探讨编写微指令和机器指令时学到了很多知识，总之是很好的完成了课程设计。
于雪梅：
积极参与讨论并完成分配的任务。
李玉婷：
积极参与讨论并完成分配的任务。
摘要
《计算机组成原理》是计算机系本科生的一门重要的专业核心必修课，在多门硬件课程中占有举足轻重的地位，在先导课和后记课之间起者承上启下、继往开来的作用。
从计算机的所有内容看，计算机组成原理属于工程性、技术性和实践性都特别强的一门课，课堂学习的知识应该与实践环节紧密结合。
在课堂上学习好理论知识的同时，必须对实践环节给予足够的重视，要学习单台计算机的基本组成和运行原理的基础知识，包括计算机的硬件设计和运行维护等多方面的技能，还要训练一定的动手能力。
让我们对计算机的组成有充分的认识。
在这一次课程设计中，我们认真的进行了动手操作，加大了实践力度。
计算机组成原理是我们主干基础课，是硬件学习的核心课程。
通过提供模块化的实验系统，学生可通过一系列积木式实验，对CPU内部的运算功能、控制功能、总线结构、指令系统的设计和微指令的实现以及CPU内部如何工作有直观、深刻的认识，所有总线信息（数据总线、地址总线、控制总线）都有指示灯显示，以便学生实时观察每条指令及微指令的执行情况，从而对计算机的原理、结构，从部件到系统，直到整机有一个形象的、生动的、本质的认识。
本次课程设计采用六条机器指令：
IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）、LOD（取数），在紧张的几天过程中，我们迎难而上，在微指令以及机器指令的设计上花费了很多心思，尤其是在总体的构思上，我们更是费尽心思。
总之，在这一次的课程设计中，从设计微程序的流程图到编微指令，再到从新审查机器指令的过程中，我们学到了很多书本上没有的知识，更加庆幸的是，再试验所用的计算机上，我们懂得了各个硬件之间的联系，这不仅增强了我们的动手能力，更加丰富了我们的知识。
关键字计算机组成原理，微程序，微指令，机器指令
目录
摘要I
第一章设计概述1
1.1设计题目1
1.2设计目的1
1.3设计器材1
第二章设计内容2
2.1实验原理2
2.2数据通路图3
2.3设计流程4
2.3.1微指令控制信号4
2.3.2微程序流程图5
2.3.3微指令7
2.3.4微程序执行顺序强制改变原理7
2.4设计内容10
第三章设计步骤12
3.1连接实验线路12
3.2写入程序13
3.2.1写入微指令13
3.2.2校验微指令13
3.2.3装入和检查机器指令13
3.3运行程序14
3.3.1单步运行14
3.3.2连续运行14
3.4设计新的机器指令14
第四章遇到问题及解决方法15
4.1遇到问题15
4.2解决方法15
总结16
致谢17
参考文献18
第一章设计概述
1.1设计题目
基本模型机的设计与实现。
1.2设计目的
1.掌握机器指令与微程序的对应关系。
2.掌握机器指令的执行流程。
3.掌握机器指令的微程序的编制、写入。
4.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将组成系统，构成一台基本模型计算机。
5.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。
1.3设计器材
TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。
第二章设计内容
2.1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，如运算器实验中对74LS－181芯片的控制，存储器实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。
本次设计采用六条机器指令；IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）、LOD（取数），其指令格式如下表2.1所示（前4位为操作码）。
表2.1机器指令格式
助记符
机器指令码
说明
IN
00000000
“DATAUNIT”中的开关状态->R0
ADDaddr
00010000xxxxxxxx
R0+[addr]->R0
STAaddr
00100000xxxxxxxx
R0->[addr]
OUTaddr
00110000xxxxxxxx
[addr]->BUS
LODaddr
01000000xxxxxxxx
[addr]->R0
JMPaddr
01010000xxxxxxxx
Addr->PC
其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，xxxxxxxx为addr对应的二进制地址码。
微控器读取一条机器指令后，将通过如下的逻辑电路，对SE1～SE5中的某一位或者几位激活，从而实现机器指令与微程序的对应。
当然，该逻辑电路还能接收外部控制输入SWA、SWB，内部状态输出FC、FZ等信号，并对这些信号给出相应的输出。
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为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取指”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，其定义如下表2.2所示。
表2.2控制台指令
SWB
SWA
控制台指令
0
0
读内存（KRD）
0
1
写内存（KWE）
1
1
启动程序（RP）
2.2数据通路图
实验系统的数据通路图，如图2.1所示。
图2.1数据流程图
注意以下几点。
1CE=0为有效电平，CE=1为无效电平。
2WE=1为写入，WE=0为读出。
3LDCP为“1”时，同时A字段为“101”时，可将总线上的数据装入到PC中；仅有LDCP为“1”时，将PC中内容加1。
4M=0为算术运算，M=1为逻辑运算。
5CN=0为运算开始低位有进位，否则低位无进位。
图2.1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器中的存储器中。
三个控制台操作微程序的流程如图2.2所示。
图2.2控制台操作微程序流程图
控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWA、SWB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制存储器一个微地址单元随意填写。
当设计“取指”微指令的判别测试字段为P
（1）测试。
由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公共微指令，因此P
（1）的测试结果出现多路分支。
本机器用指令寄存器的前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。
2.3设计流程
2.3.1微指令控制信号
微指令字长共24位，其中UA5～UA0为下一条微指令微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多种不同控制信号。
A字段中的LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。
B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。
C字段中的P
（1）～P（4）是四个测试字位。
其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3所示。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。
注意：
根据后面的实验接线图，A字段的LDRi与数据通路图中的LDR0为同一个信号。
B字段的RS-B与数据通路图中的R0-B为同一个信号。
其控制位顺序如图2.3所示。
图2.3微地址内容图
2.3.2微程序流程图
微程序流程图的设计，根据机器指令的要求和数据通路图，设计各指令对应的微程序流程图如图2.4所示。
图2.4微程序流程图
2.3.3微指令
根据流程图，设计各机器指令的微程序所对应的微指令如下表2.3所示。
表2.3微指令
微地址
S3S2S1S0MCNWECELDPC
A
B
C
UA5~UA0
000000
000000011
101
110
100
010000
010000
000000011
110
111
000
010010
010010
000000000
000
000
000
010000
010001
000000011
110
111
000
010100
010100
000000100
000
110
000
010001
010011
000000011
110
111
000
010101
010101
000000000
100
000
001
011000
011000
000000010
001
110
000
010011
011001
000000011
110
111
000
011111
011111
000000010
010
001
000
100000
100000
000000000
110
000
000
100001
100001
000000000
011
000
000
100010
100010
100101010
001
101
000
010011
011010
000000011
110
111
000
100011
100011
000000000
110
000
000
100100
100100
000000100
000
001
000
010011
011011
000000011
110
111
000
100101
100101
000000000
110
000
000
100110
100110
000000000
000
000
000
010011
011100
000000011
110
111
000
100111
100111
000000000
110
000
000
101000
101000
000000000
001
000
000
010011
011101
000000011
110
111
000
101001
101001
000000001
101
000
000
010011
2.3.4微程序执行顺序强制改变原理
微控器读取一条机器指令后，将通过如下的逻辑电路，对SE1～SE5中的某一位或者几位激活，从而实现机器指令与微程序的对应。
当然，该逻辑电路还能接收外部控制输入SWA、SWB，内部状态输出FC、FZ等信号，并对这些信号给出相应的输出。
图2.5微程序地址转移电路
注意以下几点。
FC：
进位标志。
FZ：
0标志。
SWA、SWB存储器读写控制标志。
P
（1）～P（4）：
微指令C字段译码输出结果。
I2～I7：
机器指令第2位～第7位。
根据该逻辑电路图，得SE1～SE5的逻辑表达式如下五个表达式。
①
②
③
④
⑤
由这些逻辑表达式可知以下几点。
①由于P
（1）～P（4）微指令中C字段译码后的部分输出，所以它们至多有一个有效（低电平）。
②当P
（1）有效时，在T4时刻，可以通过对I4～I7置“1”，使对应的SE1～SE4有效（低电平）。
③当P
（2）有效时，在T4时刻，可以通过对I2～I3置“1”，使对应的SE1～SE2有效（低电平）。
④当P（3）有效时，在T4时刻，标志位FZ或者FC有效（高电平）使SE7有效（低电平）。
⑤当P（4）有效时，在T时刻，外部输入控制信号SWA或者SWB有效（高电平），使SE1～SE2有效（低电平）。
如图2.5所示，左侧的FC、FZ、P
（1）～P（4）均为低电平有效。
当T4有正脉冲信号到来时该电路开始工作。
I7～I2中输入指令寄存器的第7～2位，SE5～SE1为微程序地址转移电路的输出结果。
根据SE5～SE1的值，实验系统自动将下一条微指令的原始地址UA4～UA0修改为实际的正确地址。
修改方法是将SE5～SE1的值与下一条微指令的原始地址UA4～UA0进行按位操作，SE5～SE1中为1的位对应的原始地址UA4～UA0中的位保持不变，而SE5～SE1中为0的位对应的原始地址UA4～UA0中的位强置为1。
微程序微控器的00单元内容如表2.4所示。
表2.4首条微指令
微地址
S3S2S1S0MCNWECELDPC
A
B
C
UA5~UA0
000000
000000011
101
110
100
010000
计算机启动后，微控器从微程序存储器的第一个单元（00）处读取微指令，该微指令中的C字段值为“100”，该值的译码结果使P（4）有效，而µA5～µA0的值“010000”。
由逻辑表达式（4）、（5）以及上面的分析可知：
①当SWA有效，SWB无效，对应的取值组合为（01），将使SE1的值有效，由图2.5可知，SE1有效将使MA0的输出将变为“1”。
而MA1～MA5的值为µA1～µA5的输入，所以微控器中下条执行的微指令地址为“010001”（对应8进制为21），从而转入输入流程。
②当SWA无效，SWB无效，对应的取值组合为（00），不会使SE1及SE2值有效，由图2.5可知，MA0～MA5的值为µA0～µA5的输入，则下条执行的微指令地址为“010000”（对应8进制为20），从而转入输出流程。
③当SWA有效，SWB有效，对应的取值组合为（11），会使SE1及SE2值都有效，由图2.5可知，SE1有效将使MA0的输出将变为“1”，SE2有效将使MA1的输出将变为“1”，MA2～MA5的值为µA2～µA5的输入，则下条执行的微指令地址为“010011”（对应8进制为23），从而转入执行机器指令流程。
计算机启动后，微程序流程将按图2.4所示流程运行，由上面分析可知，当SWA、SWB都有效时，微程序转入图2.4所示流程。
微程序存储器中20、22单元的内容如下表2.5所示。
表2.520和22单元的微指令
微地址
S3S2S1S0MCNWECELDPC
A
B
C
UA5~UA0
010000
000000011
110
111
000
010010
010010
000000000
000
000
000
010000
存储器读写控制信号，当存储器片选信号有效时，微指令中“WE”字段的值决定了对存储器的读写操作。
当“WE”为0时，对存储器读，当“WE”为1时，对存储器写。
01单元中微指令中的A、B、C字段的值分别为“110”、“111”、“000”，由译码规则可知将会产生“LDAR”信号、“PC-B”信号，由数据通路图可知，这2个信号将会选通PC所指的存储器单元，同时将PC＋1。
同时该微指令的µA5～µA0的值为“000010”，由图2.1和图2.5可知，下条微指令地址为“000010”（02）。
02单元中微指令中的A字段的值为“100”，将产生LDIR信号。
WE信号“0”，将会发出WR信号。
CE的值为“0”，将会使存储器的CE有效。
这几个信号的配合将会把PC所指单元的机器指令读入机器指令寄存器IR中。
B字段的值为“000”，不产生控制信号。
C字段的值分别为“001”，是P
（1）有效。
由逻辑表达式
（2）～（5）可知，当P
（1）有效时，机器指令中的I4～I7中的“1”将会对应的SE有效。
如图2.4所示，现设计IN、ADD、STA、OUT、LOD的机器指令为：
IN（010000
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