计算机组成原理简单模型机设计课设样本.docx

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计算机组成原理简单模型机设计课设样本

兰州理工大学技术工程学院

计算机构成原理课程设计任务书（09级）

题目：

模型机设计—1

学生姓名：

学号：

班级：

计算机科学与技术

（2）班指引教师：

一、计算机构成原理课程设计题目简介

该设计规定学成依照计算机构成原理课程所学知识，设计、开发一套简朴模型就算计。

通过对一种简朴计算机设计，以达到对计算机基本构成、部件功能与设计、微程序控制器设计，微指令和微程序编制与调试等过程有更深理解，加深对理论课程理解。

通过模型机设计和调试，连贯运用计算机构成原理课程学到知识，建立计算机整体概念，加深计算机时间与空间概念理解。

二、计算机构成原理课程设计任务

1、查阅文献资料，普通在5篇以上；

2、以教学实验用模型机为背景，通过调研、分析既有模型机，建立带有带8位自增、自减指令整机模型；

3、完毕系统编程与测试工作；

4、撰写设计阐明书；

5、做好答辩工作。

三、计算机构成原理课设设计重要内容、功能及指标

1、依照任务规定设计整体系统方案。

2、存储系统：

使用模型机存储模块，阐明存储器输入输出时序，模块连接方式等。

3、运算器：

使用模型机器件，构成带有片间串行进位8位移位运算功能运算器。

4、微程序控制器模块：

使用教学机系统，设计微程序控制器。

5、设计模型机指令系统：

（含设计微指令格式，微程序流程图，每条指令所相应微程序等）。

指令系统涉及下列指令：

IN、OUT、STA、LDA、JMP、BZC、CLR、MOV、

ADD、SUB、ADC、ADT、INC、DEC、SBT、SBC

6、理解并阐明教学模型机输入输出模块。

7、在自己设计指令系统基本上，编制一种汇编语言小程序并进行调试通过。

8、整机设计分模块进行，阐明模块中数据和控制信号来源、去向、功能、时序、以及模块间数据和控制信号来源、去向、功能、时序等。

四、完毕课程设计报告

1、设计题目、设计任务、实验设备与器材；

2、整体设计方案，设计原理与内容；

3、画出模型机数据通路图；

4、画出设计模型机微程序流程图和微程序；

5、阐明指令系统格式；

6、阐明模块中数据和控制信号来源、去向、功能、时序、以及模块间数据和控制信号来源、去向、功能、时序等。

7、调试状况，调试过程中遇到重要问题，是如何解决；对设计和编码回顾讨论和分析；改进设想；经验和体会等；

[1]计算机构成原理课程设计提交成果

1.设计阐明书一份，内容涉及：

1）中文摘要100字；核心词3-5个；

2）前言；

3）设计目及设计原理；

4）模型机逻辑构造及框架；

5）运算器物理构造；

6）存储器系统构成与阐明；

7）指令系统设计与指令格式分析；

8）微程序控制器逻辑构造及功能；

9）微程序设计与实现（含微指令格式、后续地址产生办法以及微程

序入口地址形式）

10）系统调试报告；

11）设计总结

2.刻制光盘一张。

（1）设计（论文）重要参照文献

1、白中英.计算机构成原理.科学术出版社，.8

2、白中英.计算机构成原理题解、题库、实验.科学术出版社，.8

3、王爱英.计算机构成与构造，清华大学出版社，1999

4、王诚.计算机构成与构造，清华大学出版社，1999清华大学出版社，1999

5、唐朔飞.计算机构成原理，高等教诲出版社，1993

七、各阶段时间安排（共2周）

周次

日期

内容

地点

完成

情况

教师

签字

第

1

周

星期一

教师解说设计规定准备参照资料

教室

星期二

分析系统，方案设计

教室

星期四、五

编程

教室

第

2

周

星期一、二

调试系统

教室

星期三、四

编写设计阐明书

教室

星期五

答辩

教室

6月18日

摘要

随着社会科技发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化生活阶段。

本次课程设计课题是基本模型机设计与实现，它正体现了这一点。

运用CPU与简朴模型机来实现计算机构成原理课程及实验中所学到实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令应用程序，用微程序控制器实现了一系列指令功能，最后达到将理论与实践相联系。

依照设计任务书规定，本设计要实现完毕一种简朴计算机设计，重要设计某些有运算器，存储器，控制器以及微指令设计。

其中运算器由运算芯片和寄存器来完毕,存储器由总线和寄存器构成，使用硬布线方式实现控制器，从而完毕设计规定。

:

核心词：

基本模型机设计；运算器；存储器；控制器；

前言

计算机构成原理是计算机科学技术学科一门核心专业基本课程。

从课程地位来说，它在先导课程和后续课程之间起着承上启下作用。

计算机构成原理讲授单解决机系统构成和工作原理，课程教学具备知识面广，内容多，难度大，更新快等特点。

本次课程设计目就是为了加深对计算机时间和空间概念理解，增强对计算机硬件和计算机指令系统更进一步理解。

计算机构成原理课程设计目是为加深对计算机工作原理理解以及计算机软硬件之间交互关系。

不但能加深对计算机时间和空间关系理解，更能增长如何实现计算机软件对硬件操作，让计算机有条不紊工作。

正文

一、设计目和设计原理

1.1设计目

融会贯通计算机构成原理课程中各章内容，通过知识综合运用，加深对计算机系统各模块工作原理及互相联系结识，特别是对硬连线控制器结识，建立清晰整机概念。

对计算机基本构成、部件设计、部件间连接、微程序控制器设计、微指令和微程序编制与调试等过程有更深理解,加深对理论课程理解。

在掌握部件单元电路实验基本上，进一步将其构成系统地构造一台基本模型计算机。

1.2设计原理

（1）运算器

设计中所用运算器数据通路，其中运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长ALU构成。

运算器输出通过一种三态门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中任一种相连，内部数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；运算器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中任一种；参加运算数据来自于8位数据开并KD0～KD7，并通过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，通过数据开关输入数据由LD0～LD7显示。

算术逻辑运算功能发生器74LS181（U31、U32）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来模仿74LS181（U31、U32）功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其他电平控制信号LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB来模仿，这几种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输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需单脉冲。

带进位控制运算器增长进位控制某些，其中高位74LS181（U31）进位CN4通过门UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B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输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得测试所需单脉冲。

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必要为“0”电平，D型触发器74LS74（UN5B）时钟端CLK才有脉冲信号输入。

才可以将本次运算进位成果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。

（2）存储器

主存储器单元电路重要用于存储实验机机器指令，它数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它地址总线由地址寄存器单元电路中地址寄存器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。

它读信号直接接地；它写信号和片选信号由写入方式拟定。

该存储器中机器指令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CPUP1.2提供，片选信号由控制CPUP1.1提供。

由于地址寄存器为8位，故接入6264地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，因此其实际使用容量为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（相应开关CE）、OE读线直接接地、WE写线由W/R`控制（相应开关WE）、CS2直接接+5V。

（3）部件测试过程中，各部件单元控制信号是人为模仿产生，而总体测试将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令功能。

这里，测试计算机数据通路控制将由微程序控制器来完毕，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束一种指令周期所有由微指令构成序列来完毕，即一条机器指令相应一种微程序。

为了向主存储器RAM中装入程序或数据，并且检查写入与否对的以及能运营主存储器中程序，必要设计三个控制操作微程序。

·存储器读操作：

拨动总清开关后，置控制开关SWB、SWA为“00”时，按规定连线后，持续按“启动运营”开关，可对主存储器RAM持续手动读操作。

·存储器写操作：

拨动总清开关后，置控制开关SWB、SWA为“01”时，按规定连线后，再按“启动运营”开关，可对主存储器RAM进行持续手动写入。

·运营程序：

拨动总清开关后，置控制开关SWB、SWA为“11”时，按规定连线后，再按“启动运营”开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运营。

上述三条控制指令用两个开关SWC、SWA状态来设立，其定义如下：

SWB

SWA

控制台命令

0

0

1

0

1

1

读内存

写内存

启动程序

（4）指令寄存器

指令寄存器用来保存当前正在执行一条指令。

当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。

指令划分为操作码和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定指令，必要对操作码进行测试P

（1），通过节拍脉冲T4控制以便辨认所规定操作。

“指令译码器”依照指令中操作码进行译码，强置微控器单元微地址，使下一条微指令指向相应微程序首地址。

二、总体设计

基本整机模型数据框图如图2-1所示，计算机数据通路控制将由微程序控制器来完毕，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束一种指令周期所有由微指令构成序列来完毕，即一条机器指令相应一种微程序。

图2-1：

模型机数据通路图

数据通路从程序计数器PC地址送到主存地址寄存器，依照地址寄存器内容找到相应存储单元。

存储器中数据是指令时，那么数据是从RAM送到总线，再从总线送到IR中。

存储器中数据是需要加工数据时，那么数据是从RAM送到总线，再动总线送到通用寄存器中档待加工。

数据加工过程中，两个数据是从总线上将数据分别分时压入两个暂存器中，等待运算部件加工，在数据加工完毕后来。

运算成果是通过三太门送到总线上。

三态门控制时由微控制器来控制。

三、详细设计

3.1运算器物理构造

运算器模块重要由两片74LS181、暂存器两片74LS273等构成。

其中74LS181可通过控制器相应控制指令来进行某种运算，详细由S0、S1、S2、S3、S4、M来决定。

T4是它工作脉冲，正跳变有效。

寄存器堆模块为实验计算机提供了2个8位通用寄存器。

它们用来保存操作数及其中间运算成果，它对运算器运算速度、指令系统设计等均有密切关系。

下面是芯片74LS181控制逻辑引脚功能表以及逻辑引脚图如表3-1所示：

表3-1：

74LS181控制逻辑引脚功能表

图3-1：

74LS181逻辑引脚图

其中各个引脚功能如下所示：

M：

算术/逻辑运算选取输入

M=0算术运算M=1逻辑运算

Cn：

带或不带进位运算选取输入

Cn=0带进位Cn=1不带进位

S3～S0：

函数选取输入，A3～A0：

4位输入数据，B3～B0：

4位输入数据

F3～F0：

4位表达运算成果输出，Cn+4：

进位输出

图3-2：

74LS273引脚图

其中，Q0-Q7表达寄存器8位数据输出，D0—D7表达向寄存器中输入8位数据引脚，CLK是用来进行寄存器选定操作，当其为高电位时和T4信号一起选定哪个寄存器进行数据输入。

8位运算器构造框图如图3-3所示：

图3-3：

8位运算器构造框图

在该运算器中，有两片74LS181构成算术和逻辑运算。

数据来源由74LS273寄存器提供，74LS273产生8位数据，分别送入到74LS181运算器中进行相应运算，而如何进行数据传送是由LDDR1和LDDR2以及T4信号控制，当LDDR1和T4都为高电平时，选定相应寄存器来进行数据输入，同理，LDDR2和T4。

然后通过相应运算之后将产生成果通过总线送回到寄存器中。

整个数据运送过程有相应控制信号提供，S0、S1、S2、S3、S4、M都是通过控制器有关指令来控制。

让其进行某种算数运算和逻辑运算。

整个数据和指令都是通过数据总线，控制总线和地址总线来进行传送。

3.2存储器系统构成与阐明

3.2.1存储器详细设计

图3-4：

存储器构造框图

阐明：

该主存储器采用一级cache-存储器构造。

重要用于存储实验机机器指令。

它数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它地址总线由地址寄存器单元电路中地址寄存器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8位数据开关KD0～KD7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。

它读信号直接接地；它写信号和片选信号由写入方式拟定。

该存储器中机器指令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CPUP1.2提供，片选信号由控制CPUP1.1提供。

由于地址寄存器为8位，故接入6264地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，因此其实际使用容量为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。

CS1片选线由CE`控制（相应开关CE）、OE读线直接接地、WE写线由W/R`控制（相应开关WE）、CS2直接接+5V。

图中信号线LDAR由开关LDAR提供，T3由实验机上时序模块电路TS3提供。

3.3指令系统设计与指令分析

3.3.1数据格式

数据格式如表3-2所示：

表3-2：

数据格式

7

6543210

符号

尾数

3.3.2指令格式

模型机设计四大类指令共十条，其中涉及算术指令逻辑指令，I/O指令，存算指令，取算指令，转移指令。

（2）算术指令

设计7条算术指令并用单字节表达，寻址方式采用寄存器寻址，其格式如表3-3所示：

表3-3：

算数指令格式

7654

32

10

OP-CODE

RS

DS

其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，DS目寄存器，其规定如下所示：

RS或RD

选定寄存器

00

01

10

R0

R1

R2

（3）访存指令及转移指令

设计2条访问指令：

即存算STA，取算LDA;2条转移指令：

即无条件转移指令JMP，有进位跳转指令BZC，指令格式如表3-4所示：

表3-4：

访问指令及转移指令格式

76

54

32

10

00

M

OP-CODE

RD

D

其中,OP-CODE为操作码，RD为源寄存器地址（LAD,STA指令用），D为位移量，M为寻址模式，其定义如下所示：

寻址模式M

有效地址

说明

00

01

10

11

E=D

E=（D）

E=（RI）+D

E=（RD）+D

直接寻址

间接寻址

RI变址寻址

相对选址

本模型机规定变址RI为寄存器R2。

（4）I/O指令

输入IN指令和输出指令OUT指令采用单字节指令，其格式如表3-5所示：

表3-5：

I/O指令格式

7654

32

10

OP-CODE

addr

RD

其中，addr=01时，选中输入数据开关KD0~KD7作为输入设备,addr=10选中2位数码管作为输出设备。

3.3.3指令系统

本模型机共有13条基本指令，其中算术指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。

表3-6列出了各条指令格式，汇编符合，指令功能。

表3-6指令格式

汇编符号

指令格式

功能

CLRrd

MOVrsrd

ADDrsrd

SUBrsrd

011100rd

0110rsrd

1000rsrd

1001rsrd

0→rd

rs→rd

rs+rd→rd

rd-rs→rd

XORrsrd

ANDrsrd

ORrsrd

1010rsrd

1o11rsrd

1100rsrd

rs异或rd→rd

rs∧rd→rd

rs∨rd→rd

LDAMDrd

STAMDrd

JMPMD

JMPMD

00M00rd

00M01rd

00M10rd

00M11rd

（E）→rd

rd→（E）

E→PC

当cy=1时E→PC

INaddrrd

OUTaddrrd

010001rd

010110rd

addr→rd

rd→addr

3.4微程序控制器逻辑构造及功能

微程序控制器构造与微指令格式密切有关。

   微程序控制器构造框图如图3-5所示。

它由控制存储器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几某些构成。

微地址寄存器和微命令寄存器两者总长度即为一条微指令长度，两者合在一起称为微指令寄存器。

图3-5：

微程序控制器构造框图

1．控制存储器

ROM中存储微程序，也就是所有微指令。

ROM容量取决于微指令总数。

如果控制器需要128条微指令，则微地址寄存器长度为7位。

ROM字长取决于微指令长度。

如果微指令为32位，则ROM字长就是32位。

实际应用中ROM可采用EPROM或E2PROM、EAROM，顾客写入和修改微程序比较以便。

2．微命令寄存器

微命令寄存器暂存由控制存储器中读出当前微指令中控制字段与测试鉴别字段信息，可由8D寄存器构成。

3．微地址寄存器

微地址寄存器暂存由控制存储器读出当前微指令下址字段信息。

它可由带RD、SD强置端D触发器构成。

其中时钟端和D端配合用做ROM读出打入，用SD进行下址修改。

4．地址转移逻辑

微指令由ROM读出后直接给出下一条微指令地址，这个地址就放在微地址寄存器中。

当微程序浮现分支时通过地址转移逻辑去修改微地址寄存器内容，并按修改好微地址读出下条微指令。

地址转移逻辑是一种组合逻辑电路，其输入是当前微指令鉴别测试字段Pi、执行部件反馈“状态条件”及时间因素T4。

5．控制时序信号

上图中标明了一种基本机器周期中控制时序信号。

例如用上一周期T4时间按微地址寄存器内容从ROM中读一条微指令，通过一段时间后被读出，用当前周期T1时间打入到微指令寄存器。

T2、T3时间用来控制执行部件进行操作。

T4时间修改微地址寄存器内容并读出下一条微指令。

微控制器寄存器使用是两片74LS273和一片74LS175构成它们从微命令存储器中读出并保存，为后续模块提供信息。

它是依照节拍信号进行读。

地址转移某些是由一种74LS245作为6带强制端触发器构成寄存器和构成在强制端没有输入时使用是从微存储器读出下一条地址。

如果强制端有输入就是强制端给定地址。

强制端给地址重要是在分支时候给出。

尚有三个74LS138够成地址译码某些。

分别相应A,B,C字段。

微控制器物理设计

微控制器设计中依照其规定，使用微控制微控存使用是3片2816

构成。

其中每一片使用是256个字节并没有全使用。

这重要考虑到是整个模型机都使用都是8位。

三片2816实现位扩张，构成24长度微指令。

因而依照起设计规定物理设计逻辑图如图3-6所示：

图3-6物理设计图

3.5微程序设计与实现

3.5.1指令格式

微指令长共24位，其控制位顺序如表3-7所示：

表3-7：

微指令格式

微程序

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

控制信号

3

2

1

0

M

CN

WE

B1

B0

A

微程序

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

控制信号

B

C

uA5

uA4

uA3

uA2

uA1

uA0

A字段B字段C字段

对表3-7解释：

S3S2S1S0M

微运算器74LS181芯片控制信号，详见表3-7。

微W\R信号对RAM和OUT进行写操作，高电平为写有效。

B1,B0:

为对外部设备（RAM，OUTPUT，INPUT）地址进行译码，B0B1=00时，

INPUT选中；B0B1=01时，RAM（CE）选中；B0B1=10，OUTPUT选中；B0B1=11时，外部设备不选中。

A字段：

LDRi：

寄存器输入选中，详细选取同指令寄存器（IR）最低2位（I1，I0）配合，当I1，I0=00时为输入到R0寄存器；I1，I0=01时为R1；I1，I0=10时为R2。

LDDR1：

暂存器DR1选中。

LDDR2：

暂存器DR2选中。

LDIR：

指令寄存器IR选中。

LOAD：

总线数据直接装载到PC计数器。

LDAR：

地址寄存器AR选。

B字段：

RS-B：

为源寄存器输出选中。

详细选取同指令寄存器（IR）3，4位（I3，I2）配合，当I3，I2=00时为输入到R0寄存器；I3，I2=01时为R1；I3，I2=10时为R2。

RD-B：

为目寄存器输出选中。

详细选取同指令寄存器（IR）最低2位（I1，I0）配合，当I1，I0=00时为输入到R0寄存器；I1，I0=01时为R1；I1，I0=10时为R2。

RI-B：

为变址寄存器选中。

本机定固定为R2。

299-B：

移位寄存器输出选中。

ALU-B：

逻辑运算单元成果输出。

PC-B：

PC计数器输出。

C字段：

P

（1）：

分支判断1，和指令寄存器（IR）高四位（IR7-IR4）作为测试条件。

可分16个分支。

P

（2）：

分支判断2，和指令寄存器（IR）三四位（IR3，IR2）作为测试条件，有4个