计算机组成原理课程设计.docx

1、计算机组成原理课程设计课程设计任务书课题名称复杂模型机组成原理实验完成时间指导教师职称学生姓名 班 级总体设计要求和技术要点掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码

2、并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现具有计算四则运算及逻辑运算的功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。工作内容及时间进度安排总计2周：1.12月6日：资料查阅、选题、系统总体设计2.12月7日-12月14日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3.12月15日-12月17日：系统调试与运行，成果验收4.12月17日：上交设计报告课程设计成果1.课程设计硬件系统及配套软件2.课程设计报告书内容摘要本实验利用EL-JY-型计算机组成原理实验系统组建电路，综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成

3、一个较完整的模型计算机设计和实现，并构造一个指令系统，编写机器指令实现不同的具体功能，如实现数据的输入、输出、加法、减法、移位、自增、自减以及赋值等运算的功能。关键词 模型机，微代码，机器指令，数据输入/输出，算术逻辑运算目 录内容摘要 - 3 -关键词 - 3 -第1章 绪论 - 5 -1.1设计地点 - 5 -1.2设计目的 - 5 -1.3设计的意义 - 5 -1.4课程设计的主要内容和要求 - 5 -1.5实验的环境 - 6 -第2章 系统设计与实现 - 7 -2.1 模型机结构框图 - 7 -2.2 工作原理 - 8 -2.2.1 数据格式 - 8 -2.2.2 指令格式 - 8 -

4、2.2.3 指令系统 - 9 -2.2.4 设计微代码 - 10 -2.2.5 实验微代码 - 13 -2.3 程序代码 - 14 -2.4实验内容介绍 - 15 -2.5 系统实现步骤 - 15 -2.6 测试用例 - 18 -2.7 硬件连线图 - 19 -第3章 总结 - 20 -参考文献 - 21 -第1章 绪论1.1设计地点 计算机组成原理实验室。1.2设计目的本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设

5、计能力。1.3设计的意义通过对复杂模型机组成的研究以及对微程序、微代码、机器指令的深入理解，进一步增强对计算机组成的学习，巩固以前所学知识，并对以后的学习打下坚实的基础。1.4课程设计的主要内容和要求掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否

6、正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码读出微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统定义至少10条机器指令，实现可以计算鸡兔同笼题的模型机功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确；（7）在EL-JY-型计算机组成原理实验系统上，编写机器指令，实现数据的输入,输出，移位以及加法等运算功能。1.5实验的环境EL-JY-型计算机组成原理实验系统。第2章 系统设计与实现2.1 模型机结构框图此

7、模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。1.运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个通用寄存器Ax，Bx，Cx等组成。2.控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。3.存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。4.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。 图 1 模型机结构框图图1中运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存

8、由U13-U15三片2816构成。除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据

9、总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低八位有效。2.2 工作原理2.2.1 数据格式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，格式如下： 表1 补码表示表 1514 13 . 0 符 号 尾 数其中，第16位为符号位，数值表示范围是：-32768 32767。2.2.2 指令格式（1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：表2 寻址方式表示表7 6 5 43 21 0OP-CODErsrdOP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOT

10、RORROL表3 操作码表其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：表4 寄存器表rs 或 rd选定寄存器 00 Ax 01 Bx 10 Cx（2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，存数和取数。它们都使用助记符MOV，但操作码不同。转移指令只有一种，及无条件转移（JMP）。指令格式如下： 表5 存储器的访问表7 65 43 21 0 00 M OP-CODE rd D其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不同，如下表所示：表6 操作码表OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令表7 寻址模式表 寻址模式M有

11、效地址ED定义说明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址11E=100H+D直接地址 扩展直接寻址（3）I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 表8 I/O操作码表7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。2.2.3 指令系统本实验共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。下表列出了各条指令的格式，汇编符

12、号和指令功能。表9 指令格式表汇编符号指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd rs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd 对rd 求反rd循环右移rd循环左移MOV D , rdMOV rd , Drd DD rdMOV rd , DJMP DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rdKIN rdrd DISP2.2.4 设计微代码设计三个控制操作微程序：存储器读操作（MRD）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后

13、，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。启动程序（RUN）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如下：表10 24位微代码表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1B F1 F2 F

14、3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如下表：表11 编码方案表 F1字段 F2字段 F3字段 15 14 13选择 12 11 10选择 9 8 7选择 0 0 0LDRi 0 0 0RAG 0 0 0P1 0 0 1LOAD 0 0 1ALU-G 0 0 1AR 0 1 0LDR2 0 1 0RCG 0 1 0P3 0 1 1自定义 0 1 1自定义 0 1 1自定义 1 0 0LDR1 1 0 0RBG 1 0 0P2 1 0 1LAR 1 0 1PC-G 1 0 1LPC 1 1 0LDIR 1 1 0299-G 1 1 0P4 1 1 1无操作 1

15、1 1无操作 1 1 1无操作微程序流程图如图2 所示。表12即为将图2的微程序流程图按微程序格式转化而成的二进制微代码表2.2.5 实验微代码实验微代码如表12所示。表12 使用微代码表 微地址（8进制） 微地址（2进制）微代码（16进制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFB13001011007FC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005

16、B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9401000000379C141100001010FC142100010011FC445100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011016003C1621100100003C1631100110025F5651

17、10101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000DC17311101106F3C874111100FF73C975111101016E102.3 程序代码本实验的机器指令程序代码如下：表13 指令输入表地址（十六进制）机器指令（十六进制）00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0B H0048 H00F0 H0005 H0002 H0094 H00F0 H00F0H00E0 H0082 H0046 H0008H0000 H2.4实验内容介绍

18、本实验完成的是计算及验证实验结果，即输入开始数据，做完运算后计算结果是否正确。计算公式：Cx(X*2+2)*4/2,观察估计结果值与实验输出结果值是否相等。2.5 系统实现步骤本系统在联机方式下进行。步骤如下：1连接硬件系统，电路图如“图7”所示。2启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。微指令操作： 写：在编辑框中输入微指令程序（格式：两位八进制微地址 + 空格 + 六位十六进制微代码），按“保存”按钮，将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中；按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off

19、、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上，然后按写入按钮，微程序写入控制存储器电路。读：将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“读出”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中。微指令操作界面如 图3所示：图3 微指令操作打开实验课题参数对话窗口：机器指令操作。 写：在编辑框中输入实验用的机器指令程序（格式：两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码），按“保存”按钮，将机器指令程序代码保存在一给定文件(*.ASM)中

20、；按“打开”按钮，打开已有的机器指令程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，将表13中的数据以图4形式写入，然后按“写入”按钮，机器指令写入存储器电路。 读：将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“读出”按钮,则相应的指令代码显示在“读出指令代码”栏中。 3运行程序单步：在运行状态前提下，选择操作-单步，点击弹出窗口如图5，然后拨动“

21、CLR”开关对地址和微地址清零，然后每按一次单步按钮，执行一条微指令。可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。 连续：在运行状态前提下，选择操作-连续，点击弹出窗口如图5，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按连续按钮，可连续执行程序。可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。 停止：在连续运行程序过程中，可按停止”按钮暂停程序的执行。此时地址和微地址并不复位，仍可以从暂停处单步或连续执行。机器指令操作界面如 图4 所示：图4 机器指令操作程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如 图6 所示对话框，要求输入数据：图5 弹出窗口提示操作图6 输入数据2.6 测试用例实验

22、数据1结果00082.7 硬件连线图由图1设计出的硬件连线图图6 硬件连线图第3章 总结通过这次课程设计，基本上了解和掌握模型机的硬件结构关于微程序的设计。实验的初期阶段主要是做一些实验指导书上提供的实验，熟悉实验环境和实验设备。同时在实验中了解到各个器件的功能与作用，微地址的使用与机器指令的设计。我们组主要设计的是一个具有复杂运算功能的模型机。由于之前没有学过计算机组成原理这门课程，实验开始时进程比较慢，但通过几次的上机实验逐渐学习了课程的原理和实验设备的掌握.凭着有点汇编语言的基础设计了我们这次的实验督.同时通过杨老师详细的指导，我们明白了实验设计的基本步骤。按照实验指导书提供的实验步骤，

23、开始设计模型机，按照指导书实验八的实验连接线路。设计了机器指令，指令中开始具有将数据存入寄存器再取出的功能，实验结果与预期的结果不相符，只好删除一些相关的机器指令。再次测试，实验数据结果很正确。实验中完成了加减乘除运算四则运算和逻辑运算，使用了运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路完成实验功能，在此基础上完成一个较完整的模型计算机设计。在做本次实验的过程遇到了很多的问题，如机器代码的错误输入、实验的错误连线以及输出显示的出错等等。通过组员内和组与组之间的沟通讨论，以用向杨老师的请教，同时还查阅很多相关资料等，克服了相关问题。通过这次课程设计我获益匪浅，在以后的学习过程奠定了基础。参考文献计算机组织与系统结构 季福坤 主编 荆淑霞 杨彬 副主编 中国水利水电出版社计算机组织与系统结构 实验教程 杨小龙 编著 西安电子科技大学出版社 评 语 课程设计成绩： 指导教师： 日期： 年 月 日