武汉理工组成原理课设.docx
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武汉理工组成原理课设
武汉理工大学
课程设计
课程名称计算机组成原理
设计题目模型机设计与实现
班级软件zy1302
学号
姓名
指导教师田小华
日期2015年6月16日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
软件zy1302
指导教师：
田小华工作单位：
计算机学院
题目:
CPU与简单模型机设计
初始条件：
1.完成<<计算机组成原理>>课程教学与实验
2.TD-CMA计算机组成原理教学实验系统
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点
2.熟悉TD-CMA教学实验系统的微指令格式
3.设计五条机器指令,并编写对应的微程序
4.在TDN-CMA教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果
5.建立复杂指令系统计算机的整机概念模型
时间安排：
1.第14周周一（6月1日）第5～6节:
软件1301、1302、sy1301集中讲解课程设计原理与方法
第14周周五（6月5日）第5～6节:
软件ZY1301、ZY1302集中讲解课程设计原理与方法
2.第X周周一～五（6月23～27日）:
分班实验,调试机器指令程序，
撰写课程设计报告
指导教师签名：
2015年6月2日
系主任（或责任教师）签名：
2015年6月3日
目录
1.课程设计的目的…………………………………………………1
2.课程设计设备……………………………………………………1
3.课程设计内容……………………………………………………1
3.1课程设计原理………………………………………………1
3.2实验步骤……………………………………………………5
4.实验结果说明以及实验总结……………………………………9
4.1实验结果说明………………………………………………9
4.2实验总结……………………………………………………11
本科生课程设计成绩评定表…………………………………13
模型机设计和实现
1．课程设计目的：
掌握计算机功能模块的原理和关系,建立计算机整机概念
2．课程设计设备：
TDN-CM计算机组成原理实验系统,排线若干
3．课程设计内容：
3.1课程设计原理
本次课程设计实现一个简单的CPU，由此构建一个简单模型计算机。
CPU由ALU、微控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，如图5-1-1所示。
该CPU在写入相应的微指令后，就具备执行机器指令的功能。
在CPU基础上，增加一个主存和基本的输入输出部件，构成一个简单的模型计算机。
3.1.1课程设计采用五条机器指令:
IN,ADD,OUT,JMP,HLT,对应的源程序内容如下:
地址内容助记符说明
0000000000100000；START：
INR0学号→R0
0000000100000000；ADDR0,R0R0+R0→R0
0000001000110000；OUTR0R0→LED
0000001111100000；JMPSTART跳转至00地址
0000010000000000；
0000010101010000；HLT停机
指令码中高4位位操作码，JMP为双字节指令，其余为单字节指令。
微控制器实验的指令是手动/联机给出，现在要求CPU自动从存储器读取机器指令并执行。
3.1.2微指令格式
课程设计在微控制器实验的基础上，增加了PC、AR和主存，在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式见表5-1-1。
3.1.3数据通路图
根据以上设计要求，相关的数据通路图见图5-1-3。
3.1.4微程序流程图
系统涉及到的微程序流程图，详见图5-1-4。
当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1>测试。
指令译码原理见图3-2-3所示，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。
本机使用指令寄存器的高6位（IR7-IR2）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址，微程序流程图上的单元地址均为16进制编码的地址。
3.1.5微指令二进制微代码表
当全部微程序设计完毕，应将每条微指令代码化，见表5-1-2。
表5-1-2二进制表微代码表
地址
十六进制内容
高五位
S3S2S1S0
A字段
B字段
C字段
MA5～MA0
00Q
000001
00000
0000
000
000
000
000001
01Q
006D43
00000
0000
110
110
101
000011
03Q
107070
00010
0000
111
000
001
110000
04Q
002405
00000
0000
010
010
000
000101
05Q
04B201
00000
1001
011
001
000
000001
1DQ
105141
00010
0000
101
000
101
000001
30Q
001404
00000
0000
001
010
000
000100
32Q
183001
00011
0000
011
000
000
000001
33Q
280401
00101
0000
000
010
000
000001
35Q
000035
00000
0000
000
000
000
110101
3CQ
006D5D
00000
0000
110
110
101
011101
3.1.6机器指令程序
设计一段机器指令程序：
从IN单元读入自己的学号，存放于R0,将R0和R0相加，结
果存于R0,再将R0的值送到OUT单元显示。
机器指令程序如下，地址和内容均为二进制：
地址内容助记符说明
0000000000100000；START：
INR0学号→R0
0000000100000000；ADDR0,R0R0+R0→R0
0000001000110000；OUTR0R0→LED
0000001111100000；JMPSTART跳转至00地址
0000010000000000；
0000010101010000；HLT停机
3.2实验步骤
3.2.1按图5-1-5接线：
3.2.2写入实验程序，并进行校验，可用手动或联机写入。
1）手动写入或校验
⑴手动写入微程序
①将开关KK1置为“停止”，KK3置“编程”，KK4置“控存”，KK5置为“置数”挡；
②使用CON单元的SD5～SD0给出微地址，IN单元给出低8位应写入的数据，连续两次按动开关ST，将IN单元的数据写到该单元的低8位；
③开关KK5置为“加1”挡；
④IN单元给出中8位应写入的数据，连续两次按动开关ST，将IN单元的数据写到该单元的中8位；IN单元给出高8位应写入的数据，连续两次按动开关ST，将IN单元的数据写到该单元的高8位；
⑤重复①、②、③、④四步，将表5-1-2的微代码写入EPROM2816芯片
⑵手动校验微程序
①将KK1置为“停止”，KK3置为“校验”，KK4置为“控存”，KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD05～SD00给出微地址，连续两次按动开关ST，MC单元的数据指示灯M7～M0显示该单元的低8位；
③将开关KK5置为“加1”挡；
④连续两次按动开关ST，MC单元的数据指示灯M15～M8显示该单元的中8位；MC单元的数据指示灯M23～M16显示该单元的高8位；
⑤重复①、②、③、④四步，完成对微代码的校验。
⑶手动写入机器指令程序
①将KK1置为“停止”，KK3置为“编程”，KK4置为“主存”，KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD05～SD00给出地址，IN单元给出该单元应写入的数据，连续两次按动开关ST，将IN单元的数据写到该存储器单元；
③开关KK5置为“加1”挡；
④IN单元给出下一个地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动开关ST，将IN单元的数据写到该存储器单元中；然后地址会又加1，只需在IN单元输入后续地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动开关ST，即可完成对该单元的写入。
⑤亦可①、②两步，将所有机器指令写入主存芯片中。
⑷手动校验机器指令程序
①将KK1置为“停止”，KK3置为“校验”，KK4置为“主存”，KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD07～SD00给出地址，连续两次按动开关ST，CPU内总线的数据指示灯D7～D0显示该单元的数据；
③开关KK5置为“加1”挡；
④连续两次按动开关ST，地址自动加1，CPU内总线的数据指示灯D7～D0显示该单元的数据；此后每两次按动开关ST，地址自动加1，CPU内总线的数据指示灯D7～D0显示该单元的数据，继续进行该操作，直至完成校验。
2）联机写入和校验
联机软件提供微程序和机器指令程序下载功能，但是微程序和机器指令程序在下载时有规定的格式，详见实验指导书。
选择联机软件的“[转储]—[装载]”功能，在打开文件对话框中选择相关文件，软件自动将机器指令程序和微程序写入指定单元。
选择联机软件的“[转储]—[刷新指令区]”功能，，可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示。
对照文件检查微程序和机器指令程序是否正确。
3.2.3运行程序
⑴本机运行
将开关KK1、KK3置为“运行”档，按动CON单元的总清开关CLR，将使PC、AR和微程序地址为00H，程序可以从头开始运行，暂存器A，B，指令寄存器IR和OUT单元也会被清零。
将KK2置为“单步”档，每按动一次ST按钮，即可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。
每运行完一条微指令，观察一次CPU内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确；结果正确后请截取屏幕并保留屏幕文件，作为结果放到课程设计报告中。
当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数据是否为OUT单元值的2倍；按下CON单元的总清开关CLR，将IN单元的数据改变为学号的2倍，再次执行机器指令程序，从OUT单元显示的数据判断程序执行是否正确，结果正确后请再次截取屏幕并保留屏幕文件，作为结果放到课程设计报告中，方便比较结果。
⑵联机运行
将KK1、KK3置为“运行”档，进入软件界面，选择菜单命令“[实验]—[简单模型机]”，打开简单模型机数据通路图。
按动CON单元的总清开关CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP指令后，检查OUT单元显示的数据是否为OUT单元值的2倍。
在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观察软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。
4.实验结果说明以及实验总结
4.1实验结果说明
班级序号：
21；对应的16进制：
15H；
实验最终结果截图如下：
根据截图可知，输入是15（16进制），输出的是2A（16进制），的确是两倍输出！
4.2实验总结
①给出每条机器指令的微程序:
IN,ADD,OUT,JMP
ADD:
01H—30H—04H—05H
ADD指令对应微程序：
01H:
000000000110110101000011
30H:
000000000001010000000100
04H:
000000000010010000000101
05H:
000001001011001000000001
JMP:
01H—3CH—1DH
JMP指令对应微程序：
01H:
000000000110110101000011
3CH:
000000000110110101011101
1DH:
000100000101000101000001
IN:
01H—32H
IN指令对应微程序：
01H:
000000000110110101000011
32H:
000110000011000000000001
OUT:
01H—33H
01H:
000000000110110101000011
33H:
001010000000010000000001
②总结课程设计心得、经验教训及注意事项
本次计算机组成原理课程设计是构造一台简单的基本模型计算机以及为其设计五条机器指令，并编写对应的微程序。
刚开始着手真的是焦头烂额，这里不懂那里不懂，这多亏了老师和同学的耐心指导，这说明拥有神队友是多么的重要啊！
实验前的指导书预习和网上搜索资料也是十分的重要是，更重要的是前几次的实验，它们为我完成这次课程设计打下了坚实的基础。
谈谈经验教训和注意事项吧，动手实验前的预习和自己的设计是必不可少的，不然你去那里就是看着别人哗啦哗啦的做，你却不知从何下手。
其次去到实验室一定要挑台好的机器啊，那些挑到不能正确输出的机器的同学，把所有问题都排除了，最后老师给出的诊断是机器可能有故障的时候，他们真是一把鼻涕一把泪的，我看着都心疼，嘻嘻，好险我挑着好的了。
另外这真的是考验动手能力，你不动手真的不行，对着那本指导书，不动手怎么也不能输出吧，动手的话，接线这块真是占足了比重，不熟练就细心的一点一点的把每根线接对，不然你最后输出时不正确，检查发现是线接错了，你自己都会鄙视下自己。
计算机组成原理是一门基础且重要的课，即使这门课结束了，对计算机组成原理的学习依然不会结束，在今后的日子里，我会继续加油！
本科生课程设计成绩评定表
班级：
软件zy1302 姓名：
学号：
序号
评分项目
满分
实得分
1
学习态度认真、遵守纪律
10
2
设计分析合理性
10
3
设计方案正确性、可行性、创造性
20
4
设计结果正确性
40
5
设计报告的规范性
10
6
设计验收
10
总得分/等级
评语：
注：
最终成绩以五级分制记。
优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、
及格（60-69分）、60分以下为不及格
指导教师签名：
田小华
2015年7月3日
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