計算機組成原理組成課程設計

1、計算機組成原理課程設計報告設計題目：中央處理器-微程序控制器設計院系：計算機科學與技術(shù)學院班級：2012 級4班設計者：指導教師：吳戴明設計時間： 2015.1.7一、課題分析1.1、設計目的1.2、設計任務1.3、課程設計題目分析 1.3.1課題設計準備1.3.2讀/寫操作的認識二、 總體設計 52.1、設計原理2.2功能設計三、方案比較四、分步設計4.1小組成員設計任務分配4.2微程序控制器的設計4.2.1 設計要求4.3、指令周期流程圖4.4、 機器指令設計 錯誤!未指定書簽4.5系統(tǒng)組成框圖4.6、各部件功能4.7微指令格式4.8微程序流程圖4.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖 五、設計成果5.

2、1運行結(jié)果5.2課程設計的收獲六、存在問題及改進建議 17七、參考文獻及相關(guān)網(wǎng)址 一、課題分析通過計算機組成原理理論課和幾次實驗的學習，編寫相應的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺基本模型機，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機使其在微程序的控制下自動產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號。在設計基本模型機的實驗基礎(chǔ)上，完成這次的課程設計。這次的課程設計將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里， 計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成， CPU 從內(nèi)存中取出一條機器指 令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機 器指令對應一條微程序。1.1 、設計目的

3、計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設計是 “計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的后續(xù)設計性課程， 通過設計一臺模型計算機， 使學生更好地理解計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容， 掌握計算機設計與實現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng)學生實驗動手能力和創(chuàng)新意識，為以后 進行計算機應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。1.2 、設計任務設計一個 8 位模型計算機系統(tǒng)，包括運算器，微程序控制器，存儲器, 簡單輸入輸出接口和設備。在計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)上搭建模型計算機系統(tǒng)，完成運算器、微程序控制器的設計調(diào)試任務，并用所設計的指令系統(tǒng)編寫一個實現(xiàn)簡單功能的 程序，在搭建的模型機系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運行程序。最后總結(jié)實驗結(jié)果，完善所設計的模型機系統(tǒng)方

4、案和電路圖，寫出完整的設計報告。1.3 、課程設計題目分析基于我們對簡單和復雜模型機的理解和實驗，我們對課程設計分析、確定設計目標1.3.1 、課題設計準備確定所設計計算機的功能和用途。、確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類型、需要設計哪些指令及使用的尋址 方式。確定相對應指令所包含的微操作。、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)設計包括確定各部件設置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就 可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。綜合考慮計算機的速率、性能價格比、可靠性等要求，設計合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)， 確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的

5、操作就不同， 計算機的結(jié)構(gòu)也就不一樣。、設計指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設計指令系統(tǒng)中每條指令所需要的機器周期數(shù)。對于微程 序控制的計算機，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些 微操作不能安排在同一條微指令中。、確定微程序地址根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每個微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。、微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應的二進制代碼 寫入到控制存儲器中的相應單兀中。、組裝、調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進行組裝和分調(diào)，因為只有各功能模塊工作正常后，才 能保證整機的正常運行。1.3.2讀/寫操作的認識機器指令碼的前4位為操作碼。其

6、中IN為單字長，其余為雙字長指令，XXXXXXX為 addr對應的二進制地址碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計三 個控制臺操作微程序。存儲器讀操作（READ：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB SWA為“ 00”時，按 START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作（WRITE：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWBSWA設置為“01”時， 按START微動開關(guān)可對RAM進行連續(xù)手動寫入。啟動程序（RUN：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWBSWA設置為“ 11”時，按START 微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程

7、序運行。上述三條控制臺指令用兩個開關(guān) SWB SWA勺狀態(tài)來設置，其定義如下：SWBSWA控制臺命令00讀內(nèi)存（READ01寫內(nèi)存（WRITE11啟動程序運行（RUN總體設計CPU由運算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（RO、指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC和地址寄存器（AR組成，如圖1所示。這個CPU在寫入相應的微指 令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指般存放在主存當中，CPU必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該 CPU的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸 入輸出部件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。圖1 基本CPU勾成原理圖2.2 功能設計本模型機和前面微程序控制器

8、實驗相比,共有5條指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、OUT輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）、HLT（停機），其指令格式如下：助記符實現(xiàn)功能機器指令代碼IN0(R0)A->R00010 0000IN1(R1)B->R10011 0000ADD(R0， R1) A+B->R00000 0000MUL(R0， R1) AvB->R0 0101 0000AND(R0,R1) AB->R0 0110 0000OUT(R0) A->OUT0111 0000HLTNOP1000 0000均為單字節(jié)指令，*為 addr 對應的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是通過手

9、動給出的，現(xiàn)在要求 CPU自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。方案比較(1) 選定CPU中所使用的產(chǎn)要器件；(2) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設計指標，設計指令流的數(shù)據(jù)通路；(3) 根據(jù)指令系統(tǒng)、選用的器件和設計指標，設計數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通路。計算機的工作過程， 實質(zhì)上是不同的數(shù)據(jù)流在控制信號作用下在限定的數(shù)據(jù)通路中 進行傳送。數(shù)據(jù)通路不同，指令所經(jīng)過的操作過程也不同，機器的結(jié)構(gòu)也就不樣，因 此數(shù)據(jù)通路的設計是至關(guān)重要的。所謂數(shù)據(jù)通路的設計，也就是確定機器各邏輯部件相 對位置的總框圖。數(shù)據(jù)遠路的設計， 目前還沒有非常標準的方法。 主要是依據(jù)設計者的經(jīng)驗， 并參考 現(xiàn)有機器的三種典型形式(單總線、雙總線或三

10、總線結(jié)構(gòu)) ，根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，可采 用試探方法來完成。其主要步驟如下：(1) 對指令系統(tǒng)中的各條指令進行分析， 得出所需要的指令周期與操作序列， 以便 決定各器件的類型和數(shù)量。(2) 構(gòu)成一個總框圖草圖， 進行各邏輯部件之間的互相連接， 即初步確定數(shù)據(jù)通路， 使得由指令系統(tǒng)所包涵的數(shù)據(jù)通路都能實現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標的要求。(3) 檢驗全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點和控制信號。(4) 檢查所設計的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低成本，簡化線路0B求和結(jié)果保存在存儲器 0B 地址單元、用基本的五條機器指令編寫實驗程序。程序如下：(地址和內(nèi)容都是十六進制，機器指令的前 4 位為操作碼。)地址 內(nèi)容

11、 助記符 說明0000 IN RO, 80H 80H R0。數(shù)據(jù) 80H 從實驗儀左下方 “INPUT DEVICE 中的 8位數(shù)據(jù)開關(guān)D7D0輸入，存入R0寄存器。0110 ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0 。 R0寄存器的內(nèi)容與存儲器 0A地址單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存入R0寄存器。020A0320STA(0B), R0R0 (0B)。 R0寄存器的內(nèi)容與存入存儲器 0B地址單元040B0530OUT BUS, (0B) (0B) BUS。通過總線輸出存儲器 0B地址單元的內(nèi)容。060B0740JMP 0000 PC。無條件轉(zhuǎn)移到00地址。08000A01存儲器0A地址單元的數(shù)

12、據(jù)，可自定。微指令的微代碼如下： （內(nèi)容是十六進制）十六進制地址 八進制地址 內(nèi)容 十六進制地址 八進制地址 內(nèi)容108101 0D 1582ED01 0E 1648C000 0F 1704E000 10 2005B000 11 2106A201 12 22019A95 13 230DE000 14 24011000 15 2583ED01 16 2687ED01 17 278EED01 18 3096ED0100 0001 0102 0203 0304 0405 0506 0607 0708 1009 110A 120B 130C 140182020FE00015A00092ED0194ED

13、0117A000018001182000010A0781D100100A07118A06、修改和編寫實驗儀RAM和ROM數(shù)據(jù)。方案比較:由于方案二更符合本次課程設計的內(nèi)容，而且是基于我們平時做的基本模型機（包括簡單模型機和復雜模型機兩部分）的基礎(chǔ)，所以做起來比較容易。因此，我們選擇了四、 分步設計4.1小組成員設計任務分配表一任務分配表小組成員任務李雪飛曹項飛衛(wèi)妙珠設計機器指令執(zhí)行流程 微程序流程圖 分配微地址 控制臺操作編碼 編寫設計報告指令周期流程圖 數(shù)據(jù)通路圖 實驗電路連接 二進制代碼表微指令格式微指令代碼化相關(guān)文檔收集總體調(diào)試運行4.2微程序控制器的設計4.2.1 設計要求1 將所編寫

14、的微程序存儲到控制存儲器中;2 用單步執(zhí)行微指令方式執(zhí)行微程序并觀測所發(fā)出的控制信號;3. 每組編寫的程序必須有助記符表示的匯編語言源程序,碼，并記錄相關(guān)實驗結(jié)果；4. 提交微程序流程圖、對應的二進制微代碼表422設計內(nèi)容并把源程序翻譯成機器指令代1編寫出實現(xiàn)自定義指令系統(tǒng)的微程序;2將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中;3在實驗箱調(diào)試和完成微程序控制器的設計工作;4.3、指令周期流程圖1r取*指指MOV旨令運算指MMIRMM> DIRPC+1ALU運算MIM> IRIRuIRDRACIR T uIR_結(jié)束 圖2指令周期流程4.4、機器指令設計表二機器指令碼設計助記符實現(xiàn)功能機器指令

15、代碼INO(RO)A->R00010 0000IN1(R1)B->R10011 0000ADD(R0 R1)A+B->R00000 0000MUL(R0 R1)AvB->R00101 0000AND(R0,R1)AB->R001100000OUT(RO)A->OUT0111 0000HLTNOP1000 0000表三機器指令程序地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說明0000 00000000 0000IN R0"INPUT DEVICE'R00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001

16、00000000 00110010 0000STA R0,11HR0 11H0000 01000001 00010000 01010011 0000OUT 11H11H LED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0"INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10H R00000 10010001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR( 12H0000 10110001 00100000 11000011 0000OUT 12H12H LED0000 1101000

17、1 00100000 11100100 0000JMP 00H00H PC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和結(jié)果0001 0011求差結(jié)果4.5系統(tǒng)組成框圖圖3復雜模型機控制器4.6、各部件功能1 . LDPC微程序控制器輸出的PC加1信號。2 . LOAD微程序控制器的輸出信號。LOA4 0時，PC程序計數(shù)器處于并行置數(shù)狀態(tài)； LOA氐1時，PC處于計數(shù)狀態(tài)。3. ALUk BUS微程序控制器的輸出信號，控制運算器的運算結(jié)果是否送到總線BUS 低電平有效。4. PC- BUS微程序控制器的輸出信號，控制程序計數(shù)器的內(nèi)容是否送到總

18、線BUS 低電平有效。5. R0- BUS微程序控制器的輸出信號，控制寄存器R0的內(nèi)容是否送到總線 BUS 低電平有效。6. SV- BUS微程序控制器的輸出信號，控制 8位數(shù)據(jù)開關(guān)SWk SW（的開關(guān)量是否 送到總線，低電平有效。7. LDR0微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入寄存器RdDR18 . LDDR1微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器DR29. LDDR2微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器10 LDIR微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)（指令）輸入到指令寄存器IR中。4.7微指令格式表四微指令格式23222120191

19、8-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A B、C各字段功能說明:A字段B字段C字段141312選擇11109選擇876選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P<1>010LDB010R0_B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101保留101保留101保留110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留4.8微程序流程圖00NOP01PC->AR03MEM->IR35ININADD片fHUOOUTOUT323431

20、36IN->R0IN->R1R0->AR0->AR1->OUT0111卩roR1->BR1->B1a 1卩八一05A+B=R007AV B=R001J IJ61R0->OUT4-01圖4 微程序流程圖4.9二進制代碼表表五二進制代碼表地址十六進制咼五位S3 S0A字段B字段C字段MA MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 05000000000010011000

21、0001010504 B2 010000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110

22、000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10數(shù)據(jù)連通圖和接線圖圖5數(shù)據(jù)通路圖五、設計成果5.1運行結(jié)果按照以下功能分別執(zhí)行：外設輸入指令 IN0 R0、IN1 R1二進制加法指令 add R0，R1輸出到外設指令 OUT0 R0 OUT1 R1停機指令HLT5.2課程設計的收獲在此次課程設計中，通過華瑞老師的悉心教導，讓我從中獲得了很多，一開 始，我們這學期學習的是理論知識，動手能力很差，在