計算機組成原理 模型機組成設計

1、廣東工業(yè)大學華立學院廣東工業(yè)大學華立學院 課課 程程 設設 計（論文）計（論文） 課程名稱 計算機組成原理 題目名稱 模型機組成設計 學生學部（系） 信息與計算機學部 專業(yè)班級 08 計算機 1 班 學 號 學生姓名 指導教師 2011 年 01 月 03 日 廣東工業(yè)大學華立學院廣東工業(yè)大學華立學院 課程設計（論文）任務書課程設計（論文）任務書 一、課程設計（論文）的內(nèi)容 通過對一個簡單模型機的設計與實現(xiàn),對計算機的基本組成、部件的設計、部件間的 連接以及微指令執(zhí)行的過程。 二、課程設計（論文）的要求與數(shù)據(jù) （1）需求分析 （2）系統(tǒng)設計 （3）模塊代碼能正常運行 （4）提供合理的測試數(shù)據(jù)

2、（5）設計說明文檔 題目名稱 模型機組成設計 學生學部（系） 信息與計算機學部 專業(yè)班級 2008 級計算機科學與技術 1 班 姓 名 學 號 三、課程設計（論文）應完成的工作 （1）采用模塊化的程序設計方法，程序書寫符合規(guī)范，代碼應完善。 （2）要有運行結果和過程的界面截圖。 （3）對系統(tǒng)進行初步的錯誤和漏洞檢測； （4）根據(jù)論文規(guī)范撰寫論文，用A4紙打印并按時提交。 四、課程設計（論文）進程安排 序號設計（論文）各階段內(nèi)容地點起止日期 1 搜集資料圖書館 10.12.10-12.14 2 需求分析圖書館 10.12.15-12.18 3 系統(tǒng)分析與設計圖書館 10.12.19-12.25

3、4 功能模塊的實現(xiàn)圖書館 10.12.26-12.30 5 系統(tǒng)測試，運行宿舍 11.1.1-1.2 6 完成課程設計（論文）宿舍 11.1.2-1.3 五、應收集的資料及主要參考文獻 1 蔣本珊 主編.計算機組成原理（第二版）M. 北京：清華大學出版社. 2002 2 胡越明 .計算機組成與系統(tǒng)結構 電子工業(yè)出版社 3 白中英 主編.計算機組成原理 科學出版社 4 文哲蓉 茍平章.計算機組成原理實驗指導及習題解答 甘肅教育出版社 發(fā)出任務書日期： 2010 年 12 月 10 日 指導教師簽名： 計劃完成日期： 2011 年 1 月 3 日 目錄目錄 1 1 . .引言引言.1 1 1.1

4、設計目的.1 1.2 設計意義.1 1.3 設計內(nèi)容.1 2 2 . .設計過程分析與實現(xiàn)設計過程分析與實現(xiàn).2 2 2.1 模型機結構.2 2.2 指令編碼.3 2.2.1數(shù)據(jù)格式.3 2.2.2指令格式.3 2.2.3指令系統(tǒng).4 2.3 微程序.4 2.4 應用程序.7 2.5 接線圖.8 3 3 . . 調(diào)試及結果分析調(diào)試及結果分析.9 9 結論結論.1010 參考文獻參考文獻.1111 1 .引言引言 1.1 設計目的設計目的 通過對一個簡單模型機的設計與實現(xiàn),對計算機的基本組成、部件的設計、部件間的 連接以及微指令執(zhí)行的過程。 1.掌握整機動態(tài)工作過程 2.了解微程序控制器的設計，

5、構建指令系統(tǒng) 3.組建模型機，編寫應用程序進行調(diào)試 1.2 設計意義設計意義 本課程設計為學生提供了一個既動手又動腦，自學，查資料，獨立實踐的機會，也 為將來設計程序積累一定的寶貴經(jīng)驗.讓我們將本學期課本上的理論知識和實際有機的結 合起來，鍛煉實際分析問題和解決問題的能力。 1.3 設計內(nèi)容設計內(nèi)容 1、設計指令系統(tǒng) 2、編寫微程序 3、實驗接線 4、編寫應用程序，選擇實現(xiàn)下列要求的一種功能 （1）輸入兩個一位十進制數(shù)，計算兩數(shù)之和，并以BCD碼輸出 （2）輸入一個一位十進制數(shù)，將其擴大5倍后以BCD碼輸出 （3）輸入一個兩位十進制數(shù)，求其負值的補碼 （4）輸入一個兩位十進制數(shù)，輸出八進制結果

6、 （5）輸入幾個數(shù)，統(tǒng)計大于10的數(shù)的個數(shù) （6）輸入幾個數(shù)，找出最大數(shù) 2 .設計過程分析與實現(xiàn)設計過程分析與實現(xiàn) 2.1 模型機結構模型機結構 圖1 模型機結構框圖 圖1中運算器ALU由U7U10四片74LS181構成，暫存器1由U3、U4兩片74LS273構成，暫存 器2由U5、U6兩片74LS273構成。微控器部分控存由U13U15三片2816構成。除此之外，CPU 的其它部分都由EP1K10集成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。 存儲器部分由兩片6116構成16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為 00HFFH。 輸出設備由底板上的四個LED數(shù)碼管及其譯碼、驅動電路構成，當D-

7、G和W/R均為低電平時將 數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及兩個三態(tài)傳輸 芯片74LS244構成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方 式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或串口輸入，然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入 電路可以不用。 2.2 指令編碼指令編碼 2.2.1 數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式 本實驗計算機采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為16位，其格式如下： 其中第16位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-32768X32767。 2.2.2 指令格式指令格式 （1）算術邏輯指令 設計9條單字長算術邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。

8、其格式如下： 其中OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定： OP-CODE011110001001101010111100110111101111 指令 CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROL RS或RD選定寄存器 00AX 01BX 10CX 9條算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表1。 （2）存儲器訪問及轉移指令 存儲器的訪問有兩種，即存數(shù)和取數(shù)。它們都使用助記符MOV，但其操作碼不同。轉移 指令只有一種，即無條件轉移（JMP）。指令格式如下： 7 65 43 21 0 00MOP-CODERD D 其中OP-CODE為操作碼，rd為寄存器。M為

9、尋址模式，D隨M的不同其定義也不相同，如下表 所示： OP-CODE000110 指令說 明 寫存儲 器 讀存儲 器 轉移指 令 尋址模式M有效地址ED定義說 明 00 E=（PC）+1立即數(shù)立即尋址 1514 13 0 符號尾數(shù) 7 6 5 43 21 0 OP-CODERSRD 10E=D 直接地址直接尋址 11E=100H +D 直接地址擴展直接尋址 注：擴展直接尋址用于面包板上擴展的存儲器的尋址。 （3）I/O指令 輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： 其中，當OP-CODE=0100且addr=10時，從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開關組輸入數(shù)據(jù)；當OP- CODE=

10、0100且addr=01時，將數(shù)據(jù)送到“輸出顯示電路”中的數(shù)碼管顯示。 2.2.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 有14條基本指令，其中算術邏輯指令8條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條。輸入輸出指 令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號和指令功能。 表1 指令格式 匯編符號指令的格式功 能 MOV rd，rs 1000 rs rdrsrd ADD rd，rs 1001 rs rdrs+rdrd SUB rd，rs 1010 rs rdrd-rsrd INC rd1011 rd rdrd+1rd AND rd，rs 1100 rs rdrsrdrd NOT rd1101 rd rd/rdrd ROR r

11、d1110 rd rd rd ROL rd1111 rd rd rd 00 10 00 rd MOV D，rd D rdD 00 10 01 rdMOV rd, DD Drd 00 00 01 rd MOV rd,D D Drd 00 00 10 00 JMP D D DPC IN rd, KIN0100 10 rdKINrd OUT DISP，rd 0100 01 rdrdDISP 7 6 5 43 21 0 OP-CODEADDRRD 2.3 微程序微程序 機器指令的執(zhí)行過程如下：首先將指令在外存儲器的地址送上地址總線，然后將該地址 上的指令傳送至指令寄存器，這就是“取指”過程。之后必須對

12、操作碼進行 P1 測試，根據(jù) 指令的譯碼將后續(xù)微地址中的某幾位強制置位，使下一條微指令指向相應的微程序首地址， 這就是“譯碼”過程。然后才順序執(zhí)行該段微程序，這是真正的指令執(zhí)行過程。 結合微程序流程圖中需要完成的功能和對由四片 74LS181 芯片所組成的算術邏輯單元 ALU 的控制條件測試等的理解和認識，我們得到完整微指令表如下： 微代碼表 微地址（八進 制） 微地址（二進 制） 微代碼（十六 進制） 00007F88 01005B42 02016FFD 06015FE5 07015FE5 10005B4A 11005B4C 12014FFB 13007FC1 1401CFFC 20005B

13、65 22005B47 23005B46 24007F15 2502F5C1 27018FC1 300001C1 310041EA 320041EC 330041F2 340041F3 350041F6 363071F7 373071F9 400379C1 41010FC1 42011F41 45007F20 520029EB 539403C1 540029ED 556003C1 620003C1 630029F5 65B803C1 660803C1 67207DF8 70000DC1 71107DFA 72000DC1 7306F3C8 74FF73C9 75016E10 2.4 應用程序應

14、用程序 1： 實現(xiàn)的是輸入一個一位十進制數(shù)，將其擴大 5 倍后以 BCD 碼輸出的功能，設計思 路為：擴大 5 倍，用 BCD 碼輸出要進行修正，修正值為 10 的倍數(shù)6 設輸入值為 x k=x AND FEH， 修正值=k1 + k2 程序如下： 00 0048；IN AX,KIN /AX=X 01 0081;MOV BX，AX/BX=X 02 0021;MOV00FF,BX/00FF=X 03 00FF; 04 00F0;ROL AX/AX=2X 05 00F0;ROL AX/AX=4X 06 0091;ADD BX，AX /BX=5X 07 0024;MOV AX,00FF /AX=X

15、08 00FF; 09 0021;MOV00FE,BX/00FE=5X 0A 00FE; 0B 0005;MOV BX,FEH/BX=FEH 0C 00FE; 0D 00C1;AND BX，AX/BX=k=x AND FEH 0E 0021;MOV00FD,BX/00FD=K 0F 00FD; 10 0024;MOV AX,00FD /AX=K 11 00FD; 12 00F0;ROL AX/AX=k1 13 0081;MOV BX，AX/BX=k1 14 00F0;ROL AX/AX=k2 15 0091;ADD BX，AX /BX=k2+k1 16 0024;MOV AX,00FE /AX

16、=5X 17 00FE; 18 0094;ADD AX,BX /AX=5X+K2+k1 19 0082; MOV CX，AX /CX=AX 1A 0046;OUT DISP,CX 1B 0008 1C 0000 2： 實現(xiàn)輸入一個兩位十進制數(shù)，求其負值的補碼 設計思路： 十進制數(shù)要先轉換為 2 進制 設數(shù)為 x，十位數(shù)為 t，個位數(shù)為 z m=t1 n=m+m2 +z 將 n 取反+1 程序如下： 00 0048;IN AX,KIN 01 0049;IN BX,KIN 02 00F0;ROL AX 03 0021;MOV00FF,BX 04 00FF; 05 0081;MOV BX,AX 07

17、 00F0;ROL AX 08 00F0;ROL AX 09 0094;ADD AX,BX A 0025;MOV BX 00FF B 00FF; C 0094; ADD AX,BX D 00D0;NOT AX E 00B0;INC AX F 0082;MOV CX AX 1O 0046;OUT DISP,CX 11 0008;JMP 2.5 接線圖接線圖 圖 2 實驗連線圖 3 . 調(diào)試及結果分析調(diào)試及結果分析 1.實驗過程中遇到的錯誤及解決辦法： 發(fā)現(xiàn)錯誤：驗證機器指令時，填入一個指令地址，讀出的指令代碼跟正確的指令地址不對 應。 解決錯誤：主存儲器電路上有一條線沒有接上，接上后驗證結果正確

18、。 2.數(shù)據(jù)測試與結果： （1）測試數(shù)據(jù)：1 結果：0005 （2）測試數(shù)據(jù)：6 結果：0018 測試其它數(shù)據(jù)也得到了相應的正確結果。 3.結果分析： 編寫正確的微程序，和正確的機器指令，再驗證無誤后，即可測試輸入一個一位十進制數(shù)， 將其擴大 5 倍后以 BCD 碼輸出了。 結論結論 通過本次的課程設計我了解了一個簡單模型機的設計與實現(xiàn),對計算機的基本組成、部 件的設計、部件間的連接以及微指令執(zhí)行的過程。掌握整機動態(tài)工作過程，了解微程序控制 器的設計，構建指令系統(tǒng)。雖然在實踐過程中遇到了很多的問題與困難，但都一一解決，本 次課程設計對我將來的學習和實踐起到了很大的幫助。 參考文獻參考文獻 1

19、蔣本珊 主編.計算機組成原理（第二版）M. 北京：清華大學出版社. 2002 2 胡越明 .計算機組成與系統(tǒng)結構 電子工業(yè)出版社 3 白中英 主編.計算機組成原理 科學出版社 4 文哲蓉 茍平章.計算機組成原理實驗指導及習題解答 甘肅教育出版社 心 得 體 會 本學期的課程緊湊而且緊張，在短短一學期內(nèi)我們便將計算機組成原理一書 學完，但掌握的并不全面，通過這次的課程設計，使我對課本上的東西進行了鞏 固與深入，使我更加深刻的學習了這門課程，在進行這次的實踐中，我也遇到了 很多的問題與挫折，但通過同學以及課本和老師的幫助下，將其一一解決，而解 決處理問題的過程給了我很多的經(jīng)驗，讓我在今后的學習中得

20、以至用。 在今后的學習生活中，我會更加努力的將課本和課堂的知識運用到實踐之中， 提高個人的能力以及學習在面對困難時解決問題的方法,在今后我會更加努力的奮 斗，使我的個人水平達到一個新的高度！ 2011 年 1 月 3 日 教 師 評 語 年 月 日 成 績 及 簽 名 年 月 日 tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtG