計(jì)算機(jī)組成原理-基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)組成原理 設(shè)計(jì)題目： 基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué) 院： 信息工程與自動(dòng)化 專(zhuān) 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 王海瑞 日 期： 教 務(wù) 處 制 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū) 信息工程與自動(dòng)化 學(xué)院 計(jì)算機(jī) 專(zhuān)業(yè) 年級(jí)學(xué)生姓名： 課程設(shè)計(jì)題目： 基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：利用所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)，特別是微程序設(shè)計(jì)的思想，寫(xiě)出要設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)的微程序。將所設(shè)計(jì)的微程序在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，并給出測(cè)試思路和具體程序段。最后撰寫(xiě)出符合要求的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。首先要確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途，設(shè)計(jì)中根據(jù)功能和用途確定指

2、令系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的表示格式，位數(shù)，指令的編碼，類(lèi)型，需要設(shè)計(jì)那些指令和尋址方式。確定相對(duì)應(yīng)指令所包含的微操作以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這些傳輸所需要的微指令。設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 （簽字）： 教學(xué)基層組織負(fù)責(zé)人（簽字）： 年 月 日目錄一、基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)41、 程序設(shè)計(jì)目的42、 程序設(shè)計(jì)基本原理4（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu) 4（2）機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能 6（3）微指令格式 7二、微程序設(shè)計(jì) 81.微程序流程圖82.二進(jìn)制代碼表 103.線路連接圖 114.微指令代 12三、總結(jié)體會(huì)13四、參考文獻(xiàn)14一、基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)1、 程序設(shè)計(jì)目的（

3、1）在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。（2）使用簡(jiǎn)單模型機(jī)和復(fù)雜模型機(jī)的部分機(jī)器指令，并編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。（3）掌握微程序控制器的組成原理。（4）掌握微程序的編寫(xiě)、寫(xiě)入，觀察微程序的運(yùn)行。（5）通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生將掌握的計(jì)算機(jī)組成基本理論應(yīng)用于實(shí)踐中，在實(shí)際操作中加深對(duì)計(jì)算機(jī)各部件的組成和工作原理的理解，掌握微程序計(jì)算機(jī)中指令和微指令的編碼方法，深入理解機(jī)器指令在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行過(guò)程。2、 程序設(shè)計(jì)基本原理（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu) 1 運(yùn)算器單元（ALU UINT）運(yùn)算器單元由以下部分構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并串型8位ALU；

4、兩個(gè)8位寄存器DR1和DR2為暫存工作寄存器，保存參數(shù)或中間運(yùn)算結(jié)果。ALU的S0S3為運(yùn)算控制端，Cn為最低進(jìn)位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過(guò)三態(tài)門(mén)74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門(mén)。2 寄存器堆單元（REG UNIT）該部分由3片8位寄存器R0、R1、R2組成，它們用來(lái)保存操作數(shù)用中間運(yùn)算結(jié)構(gòu)等。三個(gè)寄存器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDRi和RS-B根據(jù)機(jī)器指令進(jìn)行選通。3 指令寄存器單元（INS UNIT） 指令寄存器單元中指令寄存器（IR）構(gòu)成模型機(jī)時(shí)用它作為指令譯碼電路的輸入，實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。4 時(shí)序電路單元（STATE UNIT

5、）用于輸出連續(xù)或單個(gè)方波信號(hào)，來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)行。5 微控器電路單元（MICROCONTROLLER UNIT） 微控器主要用來(lái)完成接受機(jī)器指令譯碼器送來(lái)的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的首條微代碼程序，對(duì)該條機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號(hào)控制微代碼的輸出鎖存。由程序計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）實(shí)現(xiàn)程序的取指功能。6 邏輯譯碼單元（LOG UNIT） 用來(lái)根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，及工作寄存器R0、R1、R2的選通譯碼。7 主存儲(chǔ)器單元（MAIN MEM）用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器指令。8 輸入輸

6、出單元（INPUT/OUTPUT DEVICE）輸入單元使用八個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)作為輸入設(shè)備，SW-B控制選通信號(hào)。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器后由兩個(gè)數(shù)碼管顯示其值。根據(jù)以上要素設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖,如圖：（2）機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能部件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能，這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束一個(gè)指令周期全部由微指令組成序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。模型機(jī)的指令系統(tǒng)指令名稱(chēng)操作碼指令功能輸入（IN）0000將數(shù)據(jù)輸入寄存器R0移數(shù)（

7、MOV1）0001MOV REG,REG,寄存器直接尋址加法（ADD）0011R0+R1R0，加法運(yùn)算移數(shù)（MOV2）0100MOV DATA,REG立即數(shù)直接尋址自增（INC）0110R0+1R0，R0自增無(wú)條件跳轉(zhuǎn)（JMP）0111ADDRPC，執(zhí)行指定的機(jī)器指令輸出（OUT）1010在LED上輸出R0取數(shù)（MOV3）1011相對(duì)尋址，目標(biāo)地址PC+Disp，結(jié)果存R0循環(huán)右移（RRC）1101對(duì)R0中的數(shù)右移一位存入R0停機(jī)指令（HALT）1110執(zhí)行結(jié)束本實(shí)驗(yàn)采用六條機(jī)器指令：IN,OUT,STA,加ADD,減SUB,循環(huán)左移RLC其指格式如下：地址內(nèi)容助記符說(shuō)明0000IN輸入開(kāi)關(guān)數(shù)

8、據(jù)R0，采集數(shù)據(jù)0110ADD0AHR0+0AHR0020A地址0320STA0BHR00BH040B地址0530OUT0BH0BHBUS,輸出顯示060B地址0740SUB0AHR0-0AHR0080A地址0950RLC0A010B（3）微指令格式為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù),檢查寫(xiě)入是否正確,并能啟動(dòng)程序執(zhí)行,還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序.1)存儲(chǔ)器讀操作:撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后,控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB,SWA 為”0 0”時(shí),按START微動(dòng)開(kāi)關(guān),可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作.2)存儲(chǔ)器寫(xiě)操作:撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后,控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB SWA置為”0 1”時(shí),按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)可對(duì)RAM進(jìn)行連續(xù)手

9、動(dòng)寫(xiě)入.3)啟動(dòng)程序:撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后,控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB SWA置為“1 1”時(shí),按START微動(dòng)開(kāi)關(guān),既可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令,啟動(dòng)程序運(yùn)行.上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開(kāi)關(guān)SWB SWA 的狀態(tài)來(lái)設(shè)置,其定義如下讀寫(xiě)變化SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存（KRD）寫(xiě)內(nèi)存（KWE）啟動(dòng)程序（RP）微代碼定義如表所示：微程序2423222120-19181716151413控制信號(hào)S3S2S1S0MCNRDM17M16A121110987654321BCuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段 B字段 P字段151413控制信號(hào)121110控制信號(hào)987控制信號(hào)000.0000

10、00001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC其中UA5-A0為后續(xù)地址，A、B、P三個(gè)譯碼字段，分別有三個(gè)控制譯碼出多位。字段中的四個(gè)測(cè)試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，是微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。B字段中的RD-B、RI-B、分別為原寄存器選通信號(hào)、目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)其功能是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行三個(gè)工作寄存R0、R1、R2的選通譯碼。A8、A9為控制選通信號(hào)，

11、當(dāng)A8、A9為00時(shí)，選通SW-B；為01時(shí)，選通LED-B；為11時(shí)，表示均未選通。S0S3為運(yùn)算控制信號(hào)，Cn為進(jìn)位控制信號(hào)，M為狀態(tài)控制信號(hào)。原理如下圖在上述各測(cè)試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分別為源寄存器選通信號(hào)，目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類(lèi)似與此，均是某芯片的選通信號(hào)，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行相應(yīng)芯片的選通譯碼。當(dāng)擬定“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P1測(cè)試。由于“取指”微指

12、令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計(jì)用指令寄存器的前4位（I7-I4）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)6路分支，占用6個(gè)固定微地址單元。控制臺(tái)操作為P4測(cè)試，它以控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB，SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫(xiě)。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化二、微程序設(shè)計(jì)1、微程序流程圖2、二進(jìn)制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCuA5uA000 00000001100000010001000001 0000000111

13、1011011000001002 00000000110000000100100003 00000000100100000000000104 000000001110 00000000010105 00000000111000000000011006 00000000001000000000011107 00000110100010100000000110 00000001111011011000001111 00000001111011011000010012 00000001101100100000111113 000000011110110 11001010114 00000001111

14、011011001110015 00000001111011011001111016 00000001100000000000111017 0101100110011010000000012000000001111011011001001021 000000011110110110010100220000000010100000000101112300000001100000000000000124000000000010000000011000250000000011100000000101102600000000111000000001100127000001110000101000010

15、0003000000110100010100001000131000000001010000000011010320000000110110010000110113301101001100110100000000134000000001110000000011101350000001010000010000000013600000000111000000001111137000000001010 00000010000040000001110000101000000001下面介紹指令寄存器（IR）：指令寄存器用來(lái)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把他從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再

16、傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P (1)，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作。“指令譯碼器：”（實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片）根據(jù)指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開(kāi)關(guān)，它作為輸入設(shè)備（INPUT DEVICE）；另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備（OUT DEVICE）。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)三態(tài)門(mén)送到總線上，只要開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫(xiě)信號(hào)（W/E

17、）有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。3、線路連接圖4、機(jī)器指令程序設(shè)計(jì)(1) 按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的接線圖連接線路。(2)聯(lián)機(jī)寫(xiě)入程序（微指令），按照實(shí)驗(yàn)要求的規(guī)定格式，將機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制代碼表編輯成十六進(jìn)制的文件機(jī)器指令微指令$P0000$M00018110$P0110$M0101ED82$P020F$M0200C060$P0320$M0300E004$P040F$M04028201$P0530$M0500E006$P0640$M0600B007$P070F$M0701A20F$P0850$M0800E00C$P0960$M0900E00A$P0A10$M0A00A00B$P0B

18、70$M0B070A01$P0C10$M0C028201$P0D80$M0D00E00A$P0F01$M0F959A01$P1011$M1001ED92$P1100$M1100ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M16099A01$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00B01B$M1B01A21C$M1C959A01$M1EF59A01$M1F00E008$M20001001$M2101ED83$M2201ED85$M2301A216$M2401ED99$M2501A21E$M2601ED7F$M2701ED89$M28018028三、總結(jié)體會(huì)此次的課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)，特別是微程序設(shè)計(jì)的思想，寫(xiě)出要設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)的微程序。將所設(shè)計(jì)的微程序在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，并給出測(cè)試思路和具體程序段。確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途，設(shè)計(jì)中根據(jù)功能和用途確定指令系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的表示格式，位數(shù)，指令的編碼，類(lèi)型，需要設(shè)計(jì)那些指令和尋址方式。確定相對(duì)應(yīng)指令所包含的微操作以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這些傳輸所需要的微指令。最后撰寫(xiě)出符合要求的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我體會(huì)到自己所學(xué)的東西太少了，很多都不知道。在做課程設(shè)計(jì)的這