计算机组成原理报告2.docx

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计算机组成原理报告2

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：

基本模型机的设计与实现（第9组）

系别信息工程系班级计本084

学生姓名张哲学号16

指导教师王健、王德君职称副教授、高级实验师

起止日期：

2010年12月20日起——至2010年12月26日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：

基本模型机的设计与实现（第9组）

系别信息工程系班级计本084

学生姓名张哲学号16

指导教师王健、王德君职称副教授、高级实验师

课程设计进行地点：

计算机组成原理实验室

任务下达时间：

2010年12月17日

起止日期：

2010年12月20日起——至2010年12月26日止

教研室主任王健2010年12月13日批准

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、INC、JMP指令为必做指令。

ADD和OUT指令为选做指令，供有能力的学生完成。

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

AOR[addr1],[addr2]

[addr1]ANDR0OR[addr2]

AND[addr1],[addr2],[addr3]

[addr1]AND[addr2]

[addr3]

AAN[addr]

NRA[addr]

XOR[addr1],[addr2]

[addr1]XOR[addr2]

SUB[addr1],[addr2]

[addr1]－[addr2]

OAD[addr]

AND[addr1],[addr2]

[addr1]AND[addr2]

SUB[addr],5

[addr]－R0－5

ROA[addr1],[addr2]

RAS[addr],2

R0AND[addr]－2

ADM[addr],7

R0+[addr]+7

NOT[addr],3

必做

“DATAUNIT”中的开关状态→R0

必做

INC[addr]

[addr]+1→R0

必做

JMPaddr

addr→PC

选作

ADD[addr]

R0+[addr]→R0

选作

OUT[addr]

[addr]→BUS

9．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。

10．独立思考，认真设计。

遵守课程设计时间安排。

11．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、设计内容、设计步骤、实现方法及关键技术、遇到的问题及解决方法、设计总结等。

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。

4．课程设计说明书手写或打印均可，具体要求如下：

✧手写时要用统一的课程设计用纸格式，用黑或蓝黑墨水工整书写；

✧打印时采用A4纸，页边距均为20mm，目录、各章标题（如:

2设计原理及内容）和设计总结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、设计小组任务分配及自评、目录、正文、设计总结。

在左侧用订书钉装订，不要使用塑料夹。

6．设计小组任务分配及自评处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员，并由设计组组长给出评语。

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。

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．完成题目要求的机器指令的操作功能，微程序运行稳定。

2．提交课程设计说明书打印版及Word文件。

五、时间进度安排

顺序

阶段日期

计划完成内容

备注

第1天（12月20日）

阅读资料、系统分析设计

第2天（12月21日）

系统分析设计、微程序编制

第3-4天（12月22-23日）

微程序输入、调试及运行

第5天（12月24日）

基本模型机运行验收、答辩

第6-7天（12月25日-26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,2009

[2]白中英.计算机组成原理（第4版）.北京:

科学出版社,2008

[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京:

清华大学出版社,2005

[4]唐朔飞.计算机组成原理.北京:

高等教育出版社,2003

沈阳工程学院

计算机组成原理课程设计成绩评定表

系（部）：

信息工程系班级：

计本084班学生姓名：

张哲

指导教师评审意见

评价内容

具体要求

权重

评分

加权分

调研

论证

能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。

0.1

工作能力

态度

工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作。

0.2

工作量

按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。

0.2

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.5

指导教师评审成绩

（加权分合计乘以8）

分

加权分合计

指导教师签名：

年月日

评阅教师评审意见

评价内容

具体要求

权重

评分

加权分

查阅

文献

查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力

0.2

工作量

工作量饱满，难度适中。

0.5

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.3

评阅教师评审成绩

（加权分合计乘以4）

分

加权分合计

评阅教师签名：

年月日

答辩小组评审意见

评价内容

具体要求

权重

评分

加权分

学生汇报

汇报准备充分，思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确，有层次，有重点，基本上反映了所完成任务的全部内容；时间符合要求。

0.5

答辩

思路清晰；回答问题有理论依据，基本概念清楚；主要问题回答准确，深入，有说服力。

0.5

答辩小组评审成绩

（加权分合计乘以8）

分

加权分合计

答辩小组教师签名：

年月日

课程设计总评成绩

分

摘要

“计算机组成原理”是计算机科学与技术系的一门核心专业基础课程。

从课程地位来说，它在先导课与后续课之间起着承上启下的作用。

本次设计将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完成，即一条机器指令对应一条微程序。

本系统使用两种外部设备,一种是二进制代码开关（DATAUNIT），它作为输入设备；另一种是发光二极管（BUSUNIT上的一组发光二极管），它作为输出设备。

例如：

输入时，二进制开关数据送到数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。

输出时，将输出数据送到数据总线BUS上，驱动发光二极管显示。

此次课设主要完成六条机器指令：

IN（输入）、ADD（二进制加法）、SUB（存数）、INC（地址加1）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。

我们先对指令进行了分析，根据数据通路图画出了每个微程序的流程图，根据微程序地址转移电路计算出每个微程序的起始地址，根据起始地址对每一条微指令编码，编码之前我们必须弄清每条微指令由那些信号控制，并且要了解信号的“1”、“0”代表什么。

对每一条微指令编码后将微指令写入到实验箱中，此外我们也要对控制台操作微程序进行编码。

根据实验接线图接线检查无误后，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。

使用RP启动程序。

单步运行程序检查实验结果。

关键词计算机组成原理，机器指令，微指令，微程序

摘要I

1总体概述1

1.1设计题目1

1.2设计目的1

1.3设备器材1

1.4设计原理1

1.4.1设计基本原理1

1.4.2需要执行的机器指令1

1.4.3数据通路图2

1.4.4微指令格式3

1.4.5微程序地址的转移3

1.4.6机器指令的写入、读出和执行4

2设计步骤6

2.1分配存储地址6

2.2画微程序流程图6

2.3编写微指令二进制代码7

2.4连接电路8

2.5写程序8

2.6运行程序10

3实验结果及分析11

3.1运行结果11

3.2遇到的问题11

3.3解决办法11

总结12

1总体概述

1.1设计题目

基本模型机的设计与实现

1.2设计目的

1．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。

2．为其定义六条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。

1.3设备器材

TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干

1.4设计原理

1.4.1设计基本原理

本次设计将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。

本系统使用两种外部设备,一种是二进制代码开关（DATAUNIT），它作为输入设备；另一种是发光二极管（BUSUNIT上的一组发光二极管），它作为输出设备。

例如：

输入时，二进制开关数据送到数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。

输出时，将输出数据送到数据总线BUS上，驱动发光二极管显示。

1.4.2需要执行的机器指令

本次设计采用六条机器指令：

IN（输入数据）、ADD（二进制加法）、SUB（存数）、INC（地址加1）、OUT（输出结果）、JMP（无条件转移），其指令格式如表1.1机器指令格式所示。

表1.1机器指令格式

助记符

机器指令码

说明

00000000

“DATAUNIT”中的开头状态R0

ADDaddr

00010000XXXXXXXX

R0+[addr]R0

INCaddr

00100000XXXXXXXX

[addr]+1R0

SUBaddr1,addr2

00110000XXXXXXXX

SUB[addr]－R0－5

OUTaddr

01000000XXXXXXXX

[addr]BUS

JMPaddr

01010000XXXXXXXX

addrPC

其中机器指令码的最高4位为操作码。

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。

1.4.3数据通路图

实验系统的数据通路图，如图1.1数据通路图所示。

图1.1数据通路图

注意：

1.片选信号CE=0为有效电平，CE=1为无效电平。

2.WE=1为写入，WE=0为读出。

3.LOAD和LDPC同时为“1”时，可将总线上的数据装入到PC中；LDPC为“1”，同时LOAD为“0”时，将PC中内容加1。

4.M=0为算术运算，M=1为逻辑运算。

5.CN=0表示运算开始时低位有进位，否则低位无进位。

1.4.4微指令格式

微指令字长共24位，其控制位顺序如图1.2所示

图1.2微指令格式

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弹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弹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。

其功能是根据指令性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，其原理如图形所示。

AR为算术运算是否影响进位及判零樗控制位，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RDR0为同一个信号。

B字段的RS-B不数据通路图中的R0-B为同一个信号。

1.4.5微程序地址的转移

本实验系统的指令寄存器（IR）用来保存当前执行的一条指令。

当执行一条指令时，先把该指令从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试[P

（1）]，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。

“指令译码器”（板上标有“INSDECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码后的结果，将微控器单元的微地址修改为下一条微指令的地址。

地址修改要领先实验系统的微程序地址转移电路来完成，该电路如图1.3所示。

图中左侧的FC、FZ、P

（1）~（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。

1.4.6机器指令的写入、读出和执行

为了向RAM中装入机器指令程序和数据，检查写入是否正确，并能启动机器指令程序执行，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置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。

存储器写操作（KWE）：

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

图1.3微程序地址转移电路

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，其定义如表1.2所示。

表1.2控制台指令

SWB

SWA

控制台指令

读内存（KRD）

写内存（KWE）

启动程序（RP）

三个控制台操作程序的流程如图1.4控制台操作微程序流程图所示。

图1.4控制台操作微程序流程图

注意：

微程序流程图上的单元地址为8进制。

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控制存储器一个微地址单元随意填写。

当设计“取指”微指令时，该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5位（IR7-IR2）作为测试条件，出现6路分支，占用6个固定微地址单元。

2设计步骤

2.1分配存储地址

机器指令程序及数据存放地址如表2.1机器指令程序及数据存放地址所示。

表2.1机器指令程序及数据存放地址

地址（二进制）

内容（二进制）

助记符

说明

01000000

00000000

“DATAUNIT”R0

01000001

00010000

ADD[4FH]

R0+[4FH]R0

01000010

01001111

01000011

00100000

INC[4DH]

[4DH]+1R0

01000100

01001101

01000101

00000001

01000110

00110000

SUB[4EH]5

[4EH]-R0-5R0

01000111

01001110

01001000

00000101

01001001

01000000

OUT[4DH]

[4DH]BUS

01001010

01001101

01001011

01010000

JMP[40H]

40HPC

01001100

01000000

01001101

00000011

01001110

00010000

求和结果

01001111

00000010

2.2画微程序流程图

根据每条机器指令的功能，为每条机器指令画出微程序流程图，并为其中的每条微指令分配地址。

微程序流程图如图2.1所示。

KWE（01）RP（11）KRD（00）

212320

240122

CE、WE

INCJMP

4245

5260

图2.1微程序流程图

2.3编写微指令二进制代码

将画好的微程序流程图中每一CPU周期的微操作转化成二进制代码，如表2.2微指令二进制代码所示。

表2.2微指令二进制代码

机器指令

微地址

LDPC

uA5~uA0

000000

101

110

100

010000

110

111

000

010010

000

010000

010001

110

111

000

010100

000

110

000

010001

010011

110

111

000

000001

100

000

001

100000

INC

100010

110

111

000

101010

110

000

101011

010

000

101100

110110

110

111

000

101100

011

000

101101

001

101

000

010011

JMP

100101

110

111

000

110000

101

000

010011

2.4连接电路

按图2.2连接实验线路，仔细查线路无误后接通电源。

2.5写程序

（1）编程

A、将编程开关置为PROM（编程）状态。

B、将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。

C、用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。

D、在MK23-MK0开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。

E、启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到E2PROM2816的相应地址对应的单元中。

F、重复C-E步骤，将图表2.2二进制代码表中的微代码写入2

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