計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)一臺模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)組成原理 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)XXX 班 級： 計(jì)算機(jī)XXXX班 學(xué) 號：XXXX 姓 名： 廖明楷 指導(dǎo)老師：XXX 日期： 2013年3月20日 目錄設(shè)計(jì)題目11.數(shù)據(jù)格式12.指令系統(tǒng)12.1.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令12.2.訪內(nèi)指令及轉(zhuǎn)移指令12.3.輸入輸出指令22.4.停機(jī)指令22.5.具體編碼23.數(shù)據(jù)通路33.1.全局概略圖33.2.單片機(jī)寫控制43.3.微程序顯示43.4.指令寄存器53.5.通用寄存器63.6.運(yùn)算器73.7.內(nèi)存和程序計(jì)數(shù)器83.8.地址總線顯示93.9.手動輸入微程序103.10.單片機(jī)寫微程序103.11.控制存儲器113.12.指令

2、譯碼123.13.微地址顯示133.14.單片機(jī)與數(shù)據(jù)總線輸入143.15.設(shè)計(jì)說明144.時(shí)序系統(tǒng)154.1.時(shí)序系統(tǒng)與起?？刂?54.2.時(shí)序波形圖155.微指令格式166.微程序控制器176.1.原理圖176.2.地址轉(zhuǎn)移邏輯187.微程序流程圖198.微程序代碼表199.設(shè)計(jì)體會2110.參考文獻(xiàn)2111.附錄2111.1.單片機(jī)寫程序2111.1.微程序編碼轉(zhuǎn)換程序29設(shè)計(jì)題目一臺模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)試1.數(shù)據(jù)格式字長：8位格式：定點(diǎn)整數(shù)76 0符號尾數(shù)其中: 第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：定點(diǎn)整數(shù)：-128 X127。2.指令系統(tǒng)指令的類型設(shè)計(jì)：算術(shù)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存取、程序控制、

3、輸入輸出，按固定操作碼4位長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)14條指令。2.1.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令 設(shè)計(jì)7條算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器尋址，指令為RR型，其格式如下：7 43 21 0OP-CODERsRd其中：OP-CODE為操作碼，Rs為源寄存器，Rd為目的寄存器2.2.訪內(nèi)指令及轉(zhuǎn)移指令 2條訪問指令：存數(shù)(STA)、取數(shù)(LDA) 2條轉(zhuǎn)移指令：無條件轉(zhuǎn)移(JMP)、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令(BZC) 指令格式為：7 65 43 21 00 0MOP-CODERd/RsD其中：D為位移量(正負(fù)均可)，M為尋址方式，其定義如下：尋址方式M有效地址說明00011011E=DE=(D

4、)E=(Ri)+DE=(PC)+D直接尋址間接尋址Ri變址尋址相對尋址本模型機(jī)選擇變址寄存器Ri為寄存器R2。2.3.輸入輸出指令格式如下：7 43 21 0OP-CODEaddr Rd其中，addr=01 時(shí)，選中“INPUT DEVICE”中的開關(guān)組作為入設(shè)備，addr=10時(shí)，選中“OUTPUT DEVICE”中的七段LED數(shù)碼塊作為輸出設(shè)備。2.4.停機(jī)指令格式如下： 7 43 21 0OP-CODE0 00 0停機(jī)指令HALT，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。2.5.具體編碼序號匯編指令機(jī)器代碼格式功能說明1CLR Rd0111 00 Rd0Rd2MOV Rs,Rd1000 Rs RdRsRd 3

5、ADC Rs,Rd1001 Rs RdRs+Rd+CyRd4SBC Rs,Rd1010 Rs RdRs-Rd-CyRd 5INC Rd1011 xx RdRd+1Rd6AND Rs,Rd1100 Rs RdRsRdRd 7COM Rd1101 xx Rd8LDA M,D,Rd00 M 00 Rd , DERd 9STA M,D,Rd00 M 01 Rd , DRdE10JMP M,D00 M 10 00 , DEPC11BZC M,D00 M 11 00 , D當(dāng)Cy=1或Z=1時(shí)，EPC12IN Rd0100 10 Rd輸入單元Rd13OUT Rd0101 10 RdRd輸出單元14HALT

6、0110 00 00停機(jī)3.數(shù)據(jù)通路3.1.全局概略圖3.2.單片機(jī)寫控制3.3.微程序顯示3.4.指令寄存器3.5.通用寄存器3.6.運(yùn)算器3.7.內(nèi)存和程序計(jì)數(shù)器3.8.地址總線顯示3.9.手動輸入微程序3.10.單片機(jī)寫微程序3.11.控制存儲器3.12.指令譯碼3.13.微地址顯示3.14.單片機(jī)與數(shù)據(jù)總線輸入3.15.設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)說明數(shù)據(jù)總線模型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線，用于分時(shí)傳輸各種數(shù)據(jù)。地址總線模型計(jì)算機(jī)的地址總線，用于傳輸?shù)刂芳拇嫫鞯牡刂?。微地址總線微程序控制器的微地址總線，用于分時(shí)傳輸微地址。微程序數(shù)據(jù)總線微程序控制器的微程序數(shù)據(jù)總線，用于傳輸微程序數(shù)據(jù)。單片機(jī)寫數(shù)據(jù)總線單片機(jī)寫入

7、模型計(jì)算機(jī)內(nèi)存和控制存儲器的單片機(jī)寫數(shù)據(jù)總線。運(yùn)行步驟1.單片機(jī)寫內(nèi)存控制邏輯：把開關(guān)SW1，SW2撥動到下面，START=02.啟動運(yùn)行約3秒，等顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表示數(shù)據(jù)寫入完成。3.單擊暫停。單片機(jī)寫內(nèi)存控制邏輯：把開關(guān)SW1，SW2撥動到上面，START=1?？s小設(shè)計(jì)圖，讓指令寄存器，微地址寄存器，輸出顯示器，地址寄存器顯示同時(shí)顯示。單擊釋放暫停按鈕，繼續(xù)運(yùn)行。4.觀察LED數(shù)碼管顯示器上的數(shù)據(jù)。4.時(shí)序系統(tǒng)4.1.時(shí)序系統(tǒng)與起?？刂?.2.時(shí)序波形圖5.微指令格式微程序23222120191817161514131211109876543210控制信號S3S2S1S0MCNWEA9A8A

8、 字段B 字段P 字段uA5Ua4uA3uA2uA1uA1A 字段B 字段P 字段141312控制信號11109控制信號876控制信號000000000001LDRi001RS_B001P1010LDDR1010RD_B010P2011LDDR2011RI_B011P3100LDIR100100P4101LOAD101ALU_B101AR110LDAR110PC_B110LDPC6.微程序控制器6.1.原理圖6.2.地址轉(zhuǎn)移邏輯7.微程序流程圖8.微程序代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01

9、0 0001 000010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 0110000 010020 0 0 0 0 0 00 11 0 00 0 0001010 000030 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 0000 100040 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0010100 000050 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 0000 110060 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 0000 111070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0010100 000100 0 0 0 0

10、0 0 1 11 1 01 1 01 1 0001 010110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 0001 100120 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 0111 011130 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 0000 001140 0 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 00 0 0111 100150 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 0001 110160 0 0 0 0 0 0 1 10 1 10 1 10 0 0001 111171 0 0 101 0 1 11 1 01 0

11、 10 0 0100 101200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 0000 011210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 0000 101220 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 0001 101微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0230 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 0100 110240 0 0 0 0 0 0 000 0 10 0 00 0 0000 001250 0 0 0 0 0 0 1 00000 1 00 0 0000 001260 0

12、0 0 0 0 01 10 0 00 0 00 0 0010 110270 0 11 0 0 0 1 10 0 11 0 10 0 0000 001300 0 0 0 0 0 0 1 10 0 10 0 10 0 0000 001310 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00010 0 0101 010320 0 0 0 0 0 0 1 10 1 10 0 10 0 0101 100330 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 1 00 0 0110 010340 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 0110 011350 0 0 0 0 0 0 1 10 1

13、00 1 00 0 0110 110360 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 10 0 0001 000370 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 10 0 0001 000400 0 0 0 0 0 0 0 10 0 10 0 00 0 0000 001410 0 0 0 0 0 10 10 0 00100 0 0000 001420 0 0 0 0 1 0 1 11011010 0 0000 001430 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 1 1100 100440 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 0000 001微地

14、址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0451 0 0 101 0 1 10 1 01 0 10 1 0010 000460 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 0100 111470 0 0 0 0 0 0 1 10 1 11 1 00 0 0101 000501 0 0 101 0 1 11 1 01 0 10 0 0101 001511 0 0 101 0 1 10 1 01 0 10 1 0010 000520 0 0 0 0 0 0 1 10 1 10 1 00 0 0101 011531 0 0 1 0 1 0 1 10011 0

15、 10 0 0000 001540 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 1 00 0 0101 1015500 0 001 0 1 10 1 01 0 10 0 0101 110560 0 0010 0 1 10 1 01 0 10 0 0101 111570 0 0 0 0 0 0 1 10 1 01 0 10 0 0110 0006000 0 001 0 1 10 1 01 0 10 0 0110 001611 0 0 1 0 1 0 1 10011 0 10 0 0000 001620 0 0 0 0 0 0 1 10 011 0 10 0 0000 001630 0 0 0 0

16、 0 0 1 10 1 10 1 00 0 0110 110640 0 0 0 0 1 0 1 11011010 0 0000 001651 0 1 1 10 0 1 10011 0 10 0 0000 001660 0 0011 0 1 10011 0 10 0 0000 001670 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 0001 000700 0 1 0 1 0 0 1 10 0 11 0 00 0 0001 000710 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 0001 000720 0 01 1 0 0 1 10 0 11 0 00 0 0001

17、 000730 0 0 0 011 1 00 0 01 0 10 0 0001 000740 0 0 0 0110 10 0 01 0 10 0 0001 0019.設(shè)計(jì)體會這次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)不僅是一個(gè)綜合復(fù)習(xí)課堂知識的過程，而且是一次非常好的鍛煉實(shí)踐能力的機(jī)會。以前在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這個(gè)專業(yè)時(shí)，主要是接觸軟件，忽略了很多硬件方面的知識。但是，只有綜合學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟硬件知識，才能更好和更深層次地理解計(jì)算機(jī)的工作原理。在課程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)對學(xué)過的一些理論知識的理解還不夠深刻，尤其是一些細(xì)節(jié)方面的知識。只是知其然，而不知其所以然，缺乏深入的思考，往往只看到了表面。在課程設(shè)計(jì)過程中遇到了

18、一些理解不清的知識點(diǎn)。通過看課本，到圖書館借閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)，最后加深了對相關(guān)知識點(diǎn)的理解，應(yīng)用到了課程設(shè)計(jì)中。對一些芯片的具體參數(shù)和用法不太熟悉，通過上網(wǎng)搜索，學(xué)會了使用這些芯片。通過這次課程設(shè)計(jì)，我對計(jì)算機(jī)的組成和工作原理的理解更加深入了。同時(shí)，也鍛煉了自己實(shí)際分析問題和解決問題的能力，為以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。10.參考文獻(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理，科學(xué)出版社，白中英著。計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教程，西安電子科技大學(xué)出版社，楊小龍編著。百度百科中相關(guān)芯片資料11.附錄11.1.單片機(jī)寫程序#include reg51.h#define DELAY_T 4 /延時(shí)函數(shù)單位時(shí)間#define P

19、RO_LONG 16 /程序長度sbit C51_NOT_SW_B=P00;/C51單片機(jī)寫存儲器控制邏輯sbit WUD_CE0=P10;/寫微程序數(shù)據(jù)片選信號sbit WUD_CE1=P11;sbit WUD_CE2=P12;sbit MCS0=P13;/控制存儲器片選信號sbit MCS1=P14;sbit MCS2=P15;sbit MOE=P16;/控制存儲器讀選通信號sbit MWE=P17;/控制存儲器寫選通信號sbit WRITE_TUA=P20;/寫微地址轉(zhuǎn)移邏輯選通信號sbit C51_LDAR=P21;/C51寫地址寄存器選通信號sbit WDBUSCE=P22;/寫數(shù)據(jù)

20、總線選通信號sbit C51_CE=P23;/C51訪問存儲器片選信號sbit C51_OE=P24;/C51讀存儲器選通信號sbit C51_WE=P25;/C51寫存儲器選通信號sbit OEUA=P26;/C51寫微地址選通信號sbit WEUA=P27;/C51鎖存微地址信號/*程序注釋輸入R1=16輸出R1=16內(nèi)存讀取R0=12輸出R0=12自增R0輸出R0=13R0+R1-R1=29輸出R1=29輸出R1=29清零R0=0輸出R0=0輸出R0=0輸出R0=0停機(jī)*/char ram16= /程序 0x45,/0100 0101 IN R1 /R1=16 0x59,/0101 10

21、01 OUT R1 /R1=16 0x00,/0000 0000 LAD R0 /R0=0x0f=0x12 0x0f,/data_0=0x0f=0x12 0x58,/0101 1000 OUT R0 /R0=0x12 0xb0,/1011 0000 INC R0 /R0=13 0x58,/0101 1000 OUT R0 /R0=13 0x91,/1001 0001 R0+R1-R1 /R1=16+13=29 0x59,/0101 1001 OUT R1 /R1=29 0x59,/0101 1001 OUT R1 0x70,/0111 0000 CLR R0 /R0=00 0x58,/0101

22、 1000 OUT R0 /R0=00 0x58,/0101 1000 OUT R0 /R0=00 0x58,/0101 1000 OUT R0 /R0=00 0x60,/0110 0000 STOP 0x12,/data_0=0x0f=0x12 ;char code c261= /控制存儲器高8位0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x01,0x00,0x01,0x00,0x00,0x01,0x95,0x01,0x01,0x01,0x01,0x00,0x01,0x01,0x31,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,

23、0x01,0x01,0x00,0x02,0x05,0x01,0x01,0x95,0x00,0x01,0x95,0x95,0x01,0x95,0x01,0x05,0x09,0x01,0x05,0x95,0x01,0x01,0x05,0xb9,0x0d,0x01,0x29,0x01,0x19,0x07,0x06;char code c161= /控制存儲器中8位0x81,0xed,0xc0,0xa0,0xe0,0xe0,0xa0,0xe0,0xed,0xed,0xa0,0x80,0x20,0xa0,0xb6,0xea,0xed,0xed,0xed,0xed,0x10,0x04,0x80,0x9a,

24、0x92,0xa2,0xb2,0xa4,0xa2,0xa4,0x82,0x82,0x90,0x84,0xda,0x80,0x80,0xaa,0xa0,0xbc,0xea,0xaa,0xb4,0x9a,0xa4,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0x9a,0x9a,0xb4,0xda,0x9a,0x9a,0xa2,0x98,0xa2,0x98,0x0a,0x8a;char code c061= /控制存儲器低8位0x08,0x82,0x50,0x04,0xa0,0x06,0x07,0xa0,0x8a,0x8c,0x3b,0x01,0x3c,0x0e,0x0f,0x25,0x83,0x85,

25、0x8d,0xa6,0x01,0x01,0x16,0x01,0x01,0x2a,0x2c,0x32,0x33,0x36,0x08,0x08,0x01,0x01,0x01,0xe4,0x01,0x90,0x27,0x28,0x29,0x90,0x2b,0x01,0x2d,0x2e,0x2f,0x30,0x31,0x01,0x01,0x36,0x01,0x01,0x01,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x09;char i;void delay(char t) /延時(shí)函數(shù)，調(diào)整延時(shí)時(shí)間，可看到讀寫過程char i,j,k;for(i=0;it;i+)for(j=0;jt;j+)

26、for(k=0;kt;k+);void init(void) /初始化數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)C51_NOT_SW_B=1;WUD_CE0=1;WUD_CE1=1;WUD_CE2=1; MCS0=1;MCS1=1;MCS2=1;MOE=1;MWE=1;WRITE_TUA=1;C51_LDAR=0;WDBUSCE=1;C51_CE=1;C51_OE=1;C51_WE=1;OEUA=1;WEUA=0;void pre_run(void) /準(zhǔn)備運(yùn)行模型計(jì)算機(jī)C51_NOT_SW_B=0;WUD_CE0=1;WUD_CE1=1;WUD_CE2=1;MCS0=0;MCS1=0;MCS2=0; MOE=0;M

27、WE=1;WRITE_TUA=0;C51_LDAR=0;WDBUSCE=1;C51_CE=1;C51_OE=1;C51_WE=1;OEUA=1;WEUA=0;void write_ram(void) /寫內(nèi)存 init();for(i=0;iPRO_LONG;i+) P3=i; WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;delay(DELAY_T);P3=rami;WDBUSCE=0;C51_CE=0; C51_WE=0;delay(DELAY_T);C51_CE=1;C51_WE=1;delay(DELAY_T); WDBUSCE=1;delay(DELAY_T); P

28、3=0; /地址寄存器清零WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1; void read_ram(void) /讀內(nèi)存init();for(i=0;iPRO_LONG;i+)P3=i; WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;delay(DELAY_T);WDBUSCE=1;C51_CE=0;C51_OE=0;delay(DELAY_T); C51_CE=1;C51_OE=1;delay(DELAY_T); P3=0; /地址寄存器清零WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1; void write_m_ram(void) /

29、寫控制存儲器 init();MCS0=0;for(i=0;i61;i+) P3=i; OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c0i;WUD_CE0=0;MOE=1;MWE=0; MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE0=1;delay(DELAY_T); MCS0=1;MCS1=0;for(i=0;i61;i+) P3=i; OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c1i;WUD_CE1=0;MOE=1;MWE=0; MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE1=1;delay(DELAY_T); MCS1=1;MCS2=0;for(i=0;i61

30、;i+) P3=i; OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c2i;WUD_CE2=0;MOE=1;MWE=0; MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE2=1;delay(DELAY_T); MCS2=1; void read_m_ram(void) /讀控制存儲器 init();MWE=1;for(i=0;i61;i+) P3=i; OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;MCS0=0;MCS1=0;MCS2=0;MOE=0;delay(DELAY_T*1);MOE=1;delay(DELAY_T*1); P3=0; OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1; void main(void) /主函數(shù)write_ram(); /寫內(nèi)存read_ram(); /讀內(nèi)存write_m_ram(); /寫控制存儲器read_m_ram(); /讀控制存儲器pre_run(); /準(zhǔn)備運(yùn)行while(1);11.1.微程序編碼轉(zhuǎn)換程序因?yàn)樾枰獙⒃S多24位2進(jìn)制的微程序轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的數(shù)據(jù)寫入控制存儲器，所以用PHP語言編寫自動轉(zhuǎn)換程序，提高轉(zhuǎn)換速度和準(zhǔn)確度。