计算机硬件课程设计指导.docx
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计算机硬件课程设计指导
计算机硬件综合课程实习指导书
信息工程学院
2012年12月
目录
一、课程设计的目的3
二、模型机的设计步骤3
三、实验装置5
四、设计题目5
题目一：
5
题目二：
7
五、课程设计任务及要求12
六、考核办法12
七、附录13
附录1（数据通路）：
13
附录2（系统连线参考图）14
附录3（微指令格式）16
附录4（译码电路）17
附录5控制台命令17
附录6课程设计报告格式18
一、课程实习的目的
通过对一个简单计算机的设计，对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。
二、模型机的设计步骤
设计一台完整的计算机，大致需按如下的顺序来考虑：
1.确定设计目标
确定所设计计算机的功能和用途。
2.确定指令系统
确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式，并给出具体的编码，比如指令的操作码，地址码等的位数及各种编码的含义。
3.确定总体结构（寄存器、加法器、选择器的设置与数据通路的设计）
总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。
在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。
对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器是微程序控制还是硬联控制等。
综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。
数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。
4.设计指令执行流程
数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。
根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数。
对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。
5.确定微程序地址
确定后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。
6.微指令代码化
根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化。
首先写出每个微地址以及该地址对应的微指令代码（共24位二进制信息），如下表所示：
其中：
微地址表示控制存储器的地址，后面的24位表示微指令。
然后将每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为：
$M********，前面2个‘*’表示该微指令的在微控制器中的地址，后面6个‘*’表示该微指令代码。
如上述表中的四条微指令写成：
$M00018110：
表示在控制存储器地址00h处的代码是018110h。
$M0101ED82：
表示在控制存储器地址01h处的代码是01ED82h。
$M0200C048：
表示在控制存储器地址02h处的代码是00C048h。
$M0300E004：
表示在控制存储器地址03h处的代码是00E004h。
7．编写工作程序并代码化
编写测试用的工作程序，并写出内存映像，用二进制表示。
然后代码化用16进制来表示，格式为：
$P****，前面2个‘*’表示该内存的地址，后面2个‘*’表示该地址的数据。
例如：
$P0044：
表示在内存地址00h处的数据是44h。
$P0146：
表示在内存地址01h处的数据是46h。
8．联机操作文件的建立
为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立的，要求：
a、测试用的工作程序排在文件的前面，每个内存地址及代码占一行；
b、微指令代码排在文件的后面，每个微地址及微指令代码占一行；
例如，下面是一个实验的文件（文件名：
sample.txt）：
$P0044
$P0146
$P0298
$M00018108
$M0101ED82
$M0200C050
9．连接实验线路
根据附录2的实验线路图连接实验线路，其中第1题和第2题用图2（简单模型机的连线图）连线，第3题用图3（复杂模型机的连线图）连线。
10．下载工作程序和微程序
使用唐都软件将工作程序和微程序下载到实验箱的内存和控制存储器中。
其中，自带电源线的实验箱用CMP软件，启动软件后使用F4[装载]进行下载。
11．调试
在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。
可以使用控制台命令SWA、SWB的不同取值，或使用联机软件检查内存程序是否正确，微程序是否正确。
当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。
可以使用单步微指令方式执行工作程序，也可以直接使用连续方式执行程序。
在执行过程中，可以通过联机软件的数据通路图查看信息在计算机中的传送路径，更有利于掌握数据的通路结构。
这样也可以直接验证程序和微程序的正确性。
如果运行结果不正确，需要返回来修改程序或微程序，每次修改后，需要重新完成第10步，将程序和微程序下载到实验箱中。
三、实验装置
TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统一台，个人微机一台，排线若干。
四、设计题目
题目一：
设计一台模型计算机，实现下列指令系统，并通过给定的工作程序验证上述指令系统。
本设计实现的模型机共包含五条机器指令：
IN（输入）、ADD（加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前4位为操作码）：
助记符
机器指令码（二进制）
说明
微程序的入口地址
（八进制）
IN
00000000
“INPUTDEVICE”中的开关状态—>R0
10
（取指令后续微指令默认地址为10）
ADDaddr
00010000XXXXXXXX
RO+[addr]——>R0
11
STAaddr
00100000XXXXXXXX
RO——>[addr]
12
OUTaddr
00110000XXXXXXXX
[addr]——>LED
13
JMPaddr
01000000XXXXXXXX
addr——>PC
14
其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。
控制台命令的微程序流程如下（01为取指微指令的地址）：
本设计的验证程序的内存映象（装入起始地址00H）如下：
地址（二进制）
内容（二进制）
助记符
说明
00000000
00000000
IN
将输入数据送R0寄存器
00000001
00010000
ADD[OAH]
00000010
00001010
RO+[0AH]—>R0
00000011
00100000
STA[0BH]
00000100
00001011
R0—>[0BH]
00000101
00110000
OUT[0BH]
00000110
00001011
[0BH]—>LED
00000111
01000000
JMP01
00001000
00000001
01H—>PC
00001001
00001010
00000001
输入自定的数据
00001011
求和结果的存储单元
测试数据为：
FEH
题目二：
设计一台模型计算机，实现下列指令系统，并通过下列工作程序验证上述指令系统。
本模型机共包含五条机器指令：
IN（输入）、ADD（加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前4位为操作码）：
助记符
机器指令码
说明
微程序的入口地址（八进制）
IN
00000000
“INPUTDEVICE”中的开关状态—>R0
10
（取指令后续微指令默认地址为10）
ADCImm
00010000XXXXXXXX
RO+Imm+cy——>R0
11
STAaddr
00100000XXXXXXXX
RO——>[addr]
12
OUTaddr
00110000XXXXXXXX
[addr]——>LED
13
JMPaddr
01000000XXXXXXXX
addr——>PC
14
其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码或Imm所对应的二进制数据（补码形式）。
控制台命令的微程序流程同1题。
工作程序如下：
地址
指令
00
IN
01
ADC01H
03
STA[0AH]
05
OUT[0AH]
07
JMP01
测试数据为：
FEH
五、课程实习任务及要求
1、任务：
在1周内至少正确完成1道题目。
2、要求：
1）在实验前应该认真准备实验，根据题目要求及课程设计指导书提供材料，进行相应的设计，画出该模型机微程序流程图，写出机器指令程序和微程序代码，在指定的时间到实验室进行实验、调试和验证直到做出正确的实验结果。
若没有提前设计，没有机器指令程序和微程序代码，不准做实验。
2）每个题目完成后，由指导教师验收并回答指导教师的提问，由教师记录完成情况。
3）周五提交课程设计报告书，主要根据上述模型机设计步骤的要求，写出每一步骤的结果。
重点阐述：
A）完善的微程序流程图（含所有机器指令和控制台命令的微程序流程图）。
B）全部十六进制微程序代码和机器代码。
C）系统的功能测试方法（含助记符形式和二进制形式的机器指令程序和数据）、运行结果、结果分析、调试心得。
六、考核办法
课程设计成绩评定的依据有课程设计报告书、具体完成情况、答辩情况及课程设计考勤登记表，其中平时成绩占总成绩的20%。
优：
按要求完成3题；有完整的符合标准的文档，文档有条理、有正确的微程序代码及工作程序代码，有正确的运行结果及结果分析；面试时概念正确、思路清晰、原理清楚、操作熟练、结果分析正确。
良：
完成2题及以上，有完整的符合标准的文档，文档有条理、有正确的微程序代码及工作程序代码，有正确的运行结果及结果分析；面试时概念正确、思路清晰、原理清楚、操作熟练、结果分析正确。
中：
完成2题，有完整的符合标准的文档，文档有条理、有正确的微程序代码及工作程序代码，有正确的运行结果及结果分析；面试时概念较正确、思路较清晰、原理较清楚、操作较熟练、结果分析较正确。
及格：
完成2题，有较完整的符合标准的文档，文档较有条理、有正确的微程序代码及工作程序代码，有正确的运行结果及结果分析；面试时概念较正确、思路较清晰、原理较清楚、操作较熟练、结果分析正确。
不及格：
完成的题目数不到1题，没有完整的符合标准的文档，面试时，回答问题不清楚等。
七、附录
附录1（数据通路）：
图F-1数据通路结构框图
附录2（系统连线参考图）
图F-2简单模型机实验接线图（实验1、2）
附录3（微指令格式）
在实验中使用的模型机的微指令格式如下表给定，长度共24位。
其中最后六位uA0~uA5为6位的下一条微指令的地址,前面几位为直接控制字段，直接与相应的控制门连接，A,B,C为3个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。
其含义如下:
A字段
B字段
C字段
15
14
13
选择
12
11
10
选择
9
8
7
选择
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
LDRi
0
0
1
RS-B
0
0
1
P
（1）
0
1
0
LDDR1
0
1
0
RD-B
0
1
0
P
（2）
0
1
1
LDDR2
0
1
1
RI-B
0
1
1
P（3）
1
0
0
LDIR
1
0
0
299-B
1
0
0
P（4）
1
0
1
LOAD
1
0
1
ALU-B
1
0
1
AR
1
1
0
LDAR
1
1
0
PC-B
1
1
0
LDPC
A9,A8=00,选中Y0
A9,A8=01,选中Y1
A9,A8=10选中Y2
A9,A8=11选中Y3
附录4（译码电路）
附录5控制台命令
控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：
SWB
SWA
控制台指令
0
0
读内存（KRD）
0
1
写内存（KWE）
1
1
启动程序（RP）
附录6课程实习报告格式
计算机硬件综合课程实习报告
专业：
学号：
姓名：
指导教师：
完成时间：
目录
第一章实习目的和任务20
1.1实习目的20
1.2实习题目20
1.2.1题目一20
1.2.2题目二错误！
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1.3完成情况错误！
未定义书签。
第二章实习内容错误！
未定义书签。
2.1题目一错误！
未定义书签。
2.1.1程序流程图错误！
未定义书签。
2.1.2程序代码错误！
未定义书签。
2.1.3测试方法及结果错误！
未定义书签。
2.2题目二错误！
未定义书签。
2.2.1程序流程图错误！
未定义书签。
2.2.2程序代码错误！
未定义书签。
2.2.3测试方法及结果错误！
未定义书签。
第三章实习总结错误！
未定义书签。
第1章设计目的和任务（小三宋体加粗）
1.1设计目的（四号宋加粗）
通过对一个简单计算机的设计，对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。
1.2设计题目
1.2.1题目一
…………………………………………………..
正文内容（五号字宋）
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