廣東海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)-基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程實(shí)習(xí)基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系 別： 信息學(xué)院 班 級： 計(jì)科1141 指導(dǎo)教師： 劉桃麗 姓名學(xué)號分工成績 鄧超榮201411621110 共同完成 何濤201411621114 共同完成鄧周光201411621111 共同完成 基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、 設(shè)計(jì)要求 1.1、分組設(shè)計(jì)一臺基本模型機(jī)，并在模型機(jī)上運(yùn)行一個(gè)簡單的程序。每組2-3人，要求各組的指令系統(tǒng)不同。 1.2、根據(jù)設(shè)計(jì)的圖紙，在驗(yàn)臺上進(jìn)行組裝，并調(diào)試成功。 1.3、在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計(jì)圖紙和其他文件，包括： （1）總框圖（數(shù)據(jù)通路圖） （2）微程序流程圖 （3）微指令格式 （4）微程序代碼表

2、（5）調(diào)試小結(jié) 2、 課程實(shí)習(xí)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備TEC-9計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺（含74181算術(shù)運(yùn)算器ALU、74374寄存器堆R0、74161程序計(jì)數(shù)器、74273地址寄存器AR、74273指令寄存器IR等），排線若干。2.3 系統(tǒng)需求分析一臺計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言。指令系統(tǒng)表征著計(jì)算機(jī)的基本功能和使用屬性，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要括指令功能、操作類型的設(shè)計(jì)，尋址方式和指令格式的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，指令系統(tǒng)

3、反映了計(jì)算機(jī)的主要屬性，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。通常性能較好的計(jì)算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、通用性強(qiáng)、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 隨著社會科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。利用CPU與簡單模型機(jī)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。本次設(shè)計(jì)完成了各指令的格

4、式以及編碼的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)器指令微代碼，形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。 部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，本課程設(shè)計(jì)將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元的控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，通過設(shè)計(jì)流程圖，編寫機(jī)器指令，微指令和控制信號程序。首先向存儲器（RAM）中裝入數(shù)據(jù)和程序，然后檢查寫入是否正確，啟動程序執(zhí)行。另外，還需設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺操作微程序：存儲器讀操作（READ），存儲器寫操作（WRITE），運(yùn)行程序(RUN)。以上各微指令設(shè)計(jì)完畢后，連接線路在TEC-9計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱運(yùn)行程序，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示輸出。2.4 功能分析該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是對輸入的數(shù)據(jù)可以和

5、內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的加、減及循環(huán)左移運(yùn)算，并對其結(jié)果進(jìn)行存儲，顯示等功能，從而得到一個(gè)簡易的復(fù)雜模型機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能。2.5 模塊功能 IN 為單元字長（8位），含義是將數(shù)據(jù)開關(guān)8位數(shù)據(jù)輸入到RO寄存器 ADD 為雙字長指令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)地址，其含義是將R0寄存器的內(nèi)容與內(nèi)存中以A為地址單元的數(shù)相加，結(jié)果放在R0。 STA 為雙字長指令。含義是將R0中的內(nèi)容存儲到以第二字A為地址的內(nèi)存單元中。 AND 為雙字長指令。第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)地址，其含義是將R0寄存器的內(nèi)容與內(nèi)存中以A為地址單元的數(shù)相與，結(jié)果放在R0。 SUB 為雙字長指令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)

6、地址，其含義是將R0寄存器的內(nèi)容與內(nèi)存中以A為地址單元的數(shù)相減，結(jié)果放在R0。 NOT 為雙字長指令，第一字為操作碼，第二字為操作數(shù)地址，其含義是將R0寄存器的內(nèi)容求反，把結(jié)果放在R0中。 JMP 為雙字長指令，執(zhí)行該指令時(shí)，程序無條件轉(zhuǎn)移到第二字所指定的內(nèi)存單元地址。三、課程實(shí)習(xí)步驟3.1 設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用所學(xué)過的計(jì)算機(jī)原理知識，在理解計(jì)算機(jī)各功能部件工作原理上，進(jìn)一步加深計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識和整機(jī)的概念，將微程序控制器模塊、運(yùn)算器模塊同存儲器模塊聯(lián)機(jī)，組成一臺基本模型計(jì)算機(jī)。用微程序控制器模型機(jī)的數(shù)據(jù)桐廬，通過在夠早的模型機(jī)上運(yùn)行機(jī)器指令組成的簡單程序，掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)

7、系，建立機(jī)器的整機(jī)概念。3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 通過自己設(shè)計(jì)微指令，同時(shí)設(shè)計(jì)了7條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（相加）、AND（邏輯與）、STA（存數(shù)）、SUB（相減）、NOT（取反）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），然后輸 入數(shù)據(jù)來驗(yàn)證這些操作。3.3 基本原理 A.微程序控制的基本思想:1. 若干微命令編制成一條微指令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作； 2. 若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令； 3. 微程序事先存放在控制存儲器中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出。 B.基本組成:控制存儲器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯。 控制存儲器(CM):用來存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序，位于CPU中。它是一種只讀型

8、存儲器，要求速度快，讀出周期短。 微指令寄存器:存放當(dāng)前由控制存儲器讀出的一條微指令信息，分為微地址寄存器和微命令寄存器兩個(gè)部分。其中微地址寄存器決定將要訪問的下一條微指令的地址，微命令寄存器則保存一條微指令的操作控制字段和判別測試字段(P)的信息。 地址轉(zhuǎn)移邏輯:自動完成修改微地址的任務(wù)。 微程序控制器:微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個(gè)微

9、指令序列表示一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器。 C.微程序控制計(jì)算機(jī)的工作過程: 下面通過計(jì)算機(jī)啟動、執(zhí)行程序直到停機(jī)的過程，來說明微程序是如何控制計(jì)算機(jī)工作的: 計(jì)算機(jī)加電以后，首先由復(fù)位信號(Reset)將開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址送入PC內(nèi)，同時(shí)將一條"取指"微指令送入微指令寄存器中，并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，自動啟動計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生節(jié)拍電位和工作脈沖。為保證計(jì)算機(jī)正常工作，電路必須保證開機(jī)后第一個(gè)機(jī)器周期信號的完整性，在該CPU周期末，產(chǎn)生開機(jī)后第一個(gè)工作脈沖。然后計(jì)算機(jī)開始

10、執(zhí)行程序，不斷地取出指令、執(zhí)行指令。 程序可以存放在固定存儲器中，也可以利用固化在只讀存儲器(ROM)中的一小段引導(dǎo)程序，將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部設(shè)備調(diào)入主存。實(shí)現(xiàn)各條指令的微程 序是存放在微程序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從微程序控制器中取出后放 在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并 進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)遇到停機(jī)指令或外來停機(jī)命令后，應(yīng)該待當(dāng)前這條指令執(zhí)行完 畢后再停機(jī)或至少在本機(jī)器周期結(jié)束時(shí)停機(jī)。要保證停機(jī)后，重新啟動計(jì)算機(jī)能繼 續(xù)工作而且不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。3.4 數(shù)據(jù)通路圖注意： 片選信號CE=0為有效電平，CE=1為無效電平。 

11、WE=1為寫入，WE=0為讀出。 LOAD和LDPC同時(shí)為“1”時(shí)，可將總線上的數(shù)據(jù)裝入到PC中，LDPC為“1”，同時(shí)LOAD為“0”時(shí)，將PC中的內(nèi)容加1。 M=0為算術(shù)運(yùn)算，M=1為邏輯運(yùn)算。 CN=0表示運(yùn)算開始時(shí)低位有進(jìn)位，否則低位無進(jìn)位。3.5 程序流程圖(SW)->PC P (4)PCAR PC+1RAMBUS， PCAR PC+1(SW)->BUSBUS->RAM3.6 接線圖3.7 測試結(jié)果及分析3.7.1 測試過程地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）0000 0000IN （0000 0000）0000 0001ADD （0001 0

12、000）0000 0010 （0011 0010）0000 0011STA （0011 0000）0000 0100 （0011 0011) （存數(shù)）0000 0101AND （0010 0000）0000 0110 （0011 0100）0000 0111STA (0011 0000）0000 1000 （0011 0001) （存數(shù)）0000 1001SUB （0100 0000）0000 1010 （0001 0110）0000 1011STA （0011 0000）0000 1100 （0011 0111) （存數(shù)）0000 1101NOT （0101 0000）0000 1110ST

13、A （0011 0000）0000 1111 （0011 1000） （存數(shù)）0001 0000JMP （0110 0000）0001 0001 （0000 0000）0011 0010 (ADD ) （0000 0001） （ADD）0011 0011 (ADD STA)初始 （0000 0000） （ADD結(jié)果存數(shù)）0011 0100 (AND) （0000 0010） (AND)0011 0101 (AND STA)初始 （0000 0000 ） (AND結(jié)果存數(shù))0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB)0011 0111初始 （0000 0000） (SUB結(jié)

14、果存數(shù))0011 1000初始 （0000 0000） (NOT結(jié)果存數(shù))注：根據(jù)實(shí)驗(yàn)連線圖連接好，使編程開關(guān)處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。 撥動總清開關(guān)CLR（01），微地址寄存器清零，此時(shí)用“DATA UNIT”單元的8位二進(jìn)制開關(guān)給出要寫入RAM區(qū)的首地址（0000 0000），控制臺，SWA開關(guān)置為“01”，按動顯示“010010”，再按動一次“START”，微地址燈顯示“010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，按動一次START鍵，即 完成該條指令的寫入。機(jī)器指令的首地址只要第一次輸入即可，PC會自動加1，所以按動START，只

15、有在微地址燈顯示“010100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫完。3.7.2 測試結(jié)果地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）0000 0000 （IN） 0000 00100011 0010 (ADD ) （0000 0001） （ADD）0011 0011 (ADD STA) （0000 0011） （ADD結(jié)果存數(shù)）0011 0100 (AND) （0000 0010） (AND)0011 0101 (AND STA) （0000 0001 ） (AND結(jié)果存數(shù))0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB)0011 0111 （0000 0000） (SUB結(jié)果存數(shù))001

16、1 1000 （1111 1111） (NOT結(jié)果存數(shù))四、總結(jié)在做這次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)過程中，困難重重，可以說是身心疲憊，許多在課堂上沒有聽懂，沒有學(xué)會的知識在課程設(shè)計(jì)的過程中暴露無遺，真是書到用時(shí)方恨少。還有，感覺在課堂上學(xué)到的還比較膚淺，表面，課后并沒有進(jìn)一步的深入思考和研究琢磨，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用和操作方面力不從心，這點(diǎn)啟發(fā)我們應(yīng)該認(rèn)真對待實(shí)驗(yàn)課，多動手，多思考，提高實(shí)踐能力。不懂就學(xué)，不懂就問。積極的是我在發(fā)現(xiàn)問題和自己的不足之后，把課本的內(nèi)容重新學(xué)習(xí)了一遍，特別是與之相關(guān)的章節(jié)內(nèi)容，對于一些學(xué)過還不懂的知識點(diǎn)，例如，數(shù)據(jù)通道看不懂，不了解指令具體的執(zhí)行過程，等等，我就上網(wǎng)找資料，

17、發(fā)帖求教，請問組員，同學(xué)，老師。此間，培養(yǎng)了自己的獨(dú)立學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考能力，同時(shí)也意識到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，增強(qiáng)了同學(xué)間的友誼，師生情誼?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計(jì)還是有收獲的，不僅學(xué)習(xí)鞏固了課本知識，更重要的是思想覺悟提高了，一些學(xué)術(shù)精神也從此萌芽了。最后，特別感謝劉老師一學(xué)期以來的辛勤付出，諄諄教導(dǎo)，讓我們接受并獲得了新知識，新技能，開闊了視野，受益良多。參考文獻(xiàn)1 白中英 戴志濤. 計(jì)算機(jī)組成原理（第五版·立體化教材）北京：科學(xué)出版社，2013.32 白中英計(jì)算機(jī)組成原理（第五版·網(wǎng)絡(luò)版）北京：科學(xué)出版社，1998 3 張昆藏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京：科學(xué)出版社，19944（美）

18、普拉持（Platt，DS）著黃慧萍等譯MicrosoftNET精髓北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.95 ，中國研究生招生信息網(wǎng) 6 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書. 王誠，宋佳興，董長洪編著. 清華大學(xué)出版社,2002. 7 計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與訓(xùn)練 . 曠海蘭等編著. 中國水利水電出版社, 2004. 8 計(jì)算機(jī)原理與設(shè)計(jì). 宋煥章 張春元 王保恒. 長沙：國防科技大學(xué)出版社, 2000.附錄 源程序微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCA BPUA5UA0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 11 0 11101 0 00 1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0

19、 0 0 1 11 1 01 1 10 0 0 0 0 0 0 1 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 01 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0 01 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 00 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1 0 50 0 0 0 0 0 0 1 00 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0 0 61 0 0 1 0 1 0 1 00 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1 0 70 0 0 0 0 0 0 0 01 1 00 0

20、00 0 00 0 1 1 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 00 0 11 1 00 0 00 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 0 0 0 1 1 1 20 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 0 0 1 1 1 1 30 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 1 1 1 1 40 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 1 0 0 1 1 50 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 1 1 0 1 1 60 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 01 0 0 0 0 0 1 70 0 0 0 0 0 0 0 00 1 10 0 00 0 00 1 0 1 0 1 2 00 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 0 1 0 2 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 00 1 0 1 0 0 2 20 0 0 0 0 0 0 0 00