计算机组成与系统结构成功.docx

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计算机组成与系统结构成功

《计算机组成与系统结构》

课程设计报告

报告题目：

复杂模型机系统设计及运行

作者所在系部：

计算机科学与工程

作者所在专业：

计算机科学与技术

作者所在班级：

B09513班

作者姓名：

马长永

指导教师姓名：

杨立

完成时间：

2011.12.30

北华航天工业学院教务处制

摘要

计算机是由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，运算器是计算机的中心，控制器是能自动执行指令，输入输出设备是用来是操作人员与主机进行相互通信的。

一个简单的复杂模型机就要具有以上五大部件组成，并且具备基本的运算功能。

机器指令是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。

在计算机中，机器指令是用来实现一定的运算的，需要在运算时调用相对应的机器指令。

关键词计算机复杂模型机机器指令

目录

摘要2

目录3

第1章绪论1

1.1课程设计的背景和意义1

1.1.1课程设计的目的1

1.1.2课程设计的意义1

1.1.3课程设计环境1

1.2课程设计理论基础1

1.2.1指令系统概述1

1.2.2微代码设计2

第2章实验数据及步骤4

2.1微程序流程图如图4

2.2实验微代码如图所示5

2.3实验代码6

2.4实验内容介绍7

2.5实验步骤7

2.5.1实验电路设计图7

2.5.2实验电路实物连接图8

第3章系统结果测试12

3.1实验结果显示12

3.2实验结果描述12

第4章问题及解决方法13

4.1实验过程中遇到的问题13

4.2对遇到的问题的解决方法13

总结14

致谢15

参考文献16

第1章绪论

1.1课程设计的背景和意义

1.1.1课程设计的目的

本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。

通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。

1.1.2课程设计的意义

通过此次实验，掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。

1.1.3课程设计环境

利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。

系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。

1.2课程设计理论基础

1.2.1指令系统概述

本系统共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。

表1列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。

表1指令格式表

汇编符号

指令的格式

功能

MOVrd,rs

ADDrd,rs

SUBrd,rs

INCrd

ANDrd,rs

NOTrd

RORrd

ROLrd

rs→rd

rs+rd→rd

rd-rs→rd

rd+1→rd

rs∧rd→rd

对rd求反

rd循环右移

rd循环左移

MOV[D],rd

MOVrd,[D]

rd→[D]

[D]→rd

MOVrd,D

JMPD

D→rd

D→PC

INrd,KIN

OUTDISP,rd

KIN→rd

rd→DISP

1.2.2微代码设计

设计三个控制操作微程序如下：

（1）存储器读操作（MRD）

拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。

（2）存储器写操作（MWE）

拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。

（3）启动程序（RUN）

拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。

本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如表2所示。

表224位微代码表

24

23

22

21

20

19

18

17

16

151413

121110

987

6

5

4

3

2

1

S3

S2

S1

S0

M

Cn

WE

1A

1B

F1

F2

F3

uA5

uA4

uA3

uA2

uA1

uA0

F1、F2、F3三个字段的编码方案如表3所示。

表3编码方案表

F1字段

F2字段

F3字段

151413

选择

121110

选择

987

选择

000

LDRi

000

RAG

000

P1

001

LOAD

001

ALU-G

001

AR

010

LDR2

010

RCG

010

P3

011

自定义

011

自定义

011

自定义

100

LDR1

100

RBG

100

P2

101

LAR

101

PC-G

101

LPC

110

LDIR

110

299-G

110

P4

111

无操作

111

无操作

111

无操作

第2章实验数据及步骤

2.1微程序流程图如图

2.2实验微代码如图所示

微地址（8进制）

微地址（2进制）

微代码（16进制）

00

000000

007F88

01

000001

005B42

02

000010

016FFD

06

000110

015FE5

07

000111

015FE5

10

001000

005B4A

11

001001

005B4C

12

001010

014FFB

13

001011

007FC1

14

001100

01CFFC

20

010000

005B65

22

010010

005B47

23

010011

005B46

24

010100

007F15

25

010101

02F5C1

27

010111

018FC1

30

011000

0001C1

31

011001

0041EA

32

011010

0041EC

33

011011

0041F2

34

011100

0041F3

35

011101

0041F6

36

011110

3071F7

37

011111

3001F9

40

100000

0379C1

41

100001

010FC1

42

100010

011FC4

45

100101

007F20

52

101010

0029EB

53

101011

9403C1

54

101100

0029ED

55

101101

6003C1

62

110010

0003C1

63

110011

0025F5

65

110101

B803C1

66

110110

0C03C1

67

110111

207DF8

70

111000

000DC1

71

111001

107DFA

72

111010

000DC1

73

111011

06F3C8

74

111100

FF73C9

75

111101

016E10

2-2微代码表

2.3实验代码

地址（十六进制）

机器指令（十六进制）

助记符

说明

00H

01H

02H

03H

04H

05H

06H

07H

08H

09H

0AH

0BH

0CH

0DH

0EH

0FH

0048H

00D0H

0082H

0046H

00B0H

0082H

0046H

0049H

0094H

0082H

0046H

00F0H

0082H

0046H

0008H

0000H

INAx,KIN

NotAx

MOVCx,Ax

OUTDISP,Cx

INCAx

MOVCx,Ax

OUTDISP,Cx

INBx,KIN

ADDAx,Bx

MOVCx,Ax

OUTDISP,Cx

ROLAx

MOVCx,Ax

OUTDISP,Cx

JMP0000

输入Ax

Not（Ax）—>Ax

Ax→Cx

Cx→LED

Ax+1——>Ax

Ax→Cx

Cx→LED

输入Bx

Ax+Bx——>Ax

Ax→Cx

Cx→LED

Ax循环左移一位

Ax→Cx

Cx→LED

低8位——>PC

2.4实验内容介绍

本系统完成计算及验证实验结果。

计算公式：

Cx＝2[（！

（AX）＋1）+BX]

并且在输入Ax后取反，显示取反结果，取反以后自加1，进行加1运算后显示运算结果，自加1以后输入Bx，此时的Ax与Bx相加，并且显示运算结果，然后对结果进行向左移动一位运算，运算结束后显示运算结果。

2.5实验步骤

2.5.1实验电路设计图

（1）连接硬件系统，电路如图1所示。

图1硬件连线图

2.5.2实验电路实物连接图

图2线路连接实物图

（2）启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验八，打开实验课题参数对话窗口。

微指令操作：

写：

在编辑框中输入微指令程序（格式：

两位八进制微地址+空格+六位十六进制微代码），按“保存”按钮，将微程序代码保存在一给定文件（*.MSM）中；按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1off、K2on、K3off、K4off，，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上，然后按"写入"按钮，微程序写入控制存储器电路。

读：

将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1off、K2off、K3on、K4off，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“读出”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中。

微指令操作界面如图3所示。

图3微指令操作

打开实验八参数对话窗口：

机器指令操作。

写：

在编辑框中输入实验用的机器指令程序（格式：

两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码），按“保存”按钮，将机器指令程序代码保存在一给定文件（*.ASM）中；按“打开”按钮，打开已有的机器指令程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1on、K2off、K3on、K4off，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，将表13中的数据以图3形式写入，然后按“写入”按钮，机器指令写入存储器电路。

读：

将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1on、K2off、K3on、K4off，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“读出”按钮,则相应的指令代码显示在“读出指令代码”栏中。

正确的读出结果如图所示：

（3）运行程序

单步：

在运行状态前提下，选择操作-单步，然后拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后每按一次"单步"按钮，执行一条微指令。

可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。

连续：

在运行状态前提下，选择操作-连续，先拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按"连续"按钮，可连续执行程序。

可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。

停止：

在连续运行程序过程中，可按"停止”按钮暂停程序的执行。

此时地址和微地址并不复位，仍可以从暂停处单步或连续执行。

程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如图5和图6所示对话框，要求输入数据

图5清零提示图6输入数据

（4）测试用例

实验数据

AX

BX

CX

第一组数据

FFFFH

0002H

0006H

第二组数据

FFFFH

0001H

0004H

第三组数据

FFFEH

0001H

0006H

第四组数据

FFFEH

0002H

0008H

第3章系统结果测试

3.1实验结果显示

图3-1Ax取反以后的结果

图3-2Ax加1以后的结果

图3-3Ax加1加Bx以后的结果

图3-4最终结果

3.2实验结果描述

本次实验，我们要通过设计的复杂模型机实现如下运算：

Cx=2[！

（Ax）+1+Bx]，在实验过程中，我们首先正确地写入了自己编的机器指令，并且成功的读出，这些都可见第二章中的图。

然后输入一组数据，进行验证，输入的Ax=FFFF，运算结果应为0000，显然与实际结果一致，接着，Ax要进行加1运算，那么运算结果应为：

0001，显然，结果也是正确的，然后提示输入数据Bx，输入数据位0001，那么Ax+Bx应为0002，相比可知，实验结果正确，最后一步，左移一位，应该得到0004，显然，结果也是正确的。

然后我们又用了三种数据，实验结果都是正确的，这次实验是成功的。

第4章问题及解决方法

4.1实验过程中遇到的问题

在实验过程中，主要遇到的问题就是实验机箱问题,开始使用的机箱数据显示灯不会亮，导致我们没有读出正确的机器指令，然后我们换了一台机器，是读进去的数据都不能够成功的读出微指令和机器指令。

开始时对本次实验的目的也不是很明确。

4.2对遇到的问题的解决方法

经过老师对我们机箱进行检验，确认机箱确实有问题，给我们换了好的机箱，我们才把我们编写的代码（机器指令）成功的写入内存并且成功地读出，并且使我们的运算得到了正确的结果。

总结

本次课程设计我们要设计一台微程序控制的模型机,了解了一个比较成熟的模型机的实现,完成对计算机组成原理这门课程的综合应用,达到学习本书的作用.作为一个计算机系学生这是必需掌握的。

使我们对数据选择器、移位器、加法器、运算器、存储器和微程序控制器，有了比较透彻的认识。

设计结束了，从中我们也学到了不少知识.虽然计算机组成原理的课程设计与学习已经结束,可我们学习之路并没有结束,我们会继续努力学习其相关的知识,以适应社会的发展与需要.这样才能真正成为一名合格的大学生.

通过本次实验，我们深入掌握了计算机五大功能部件的组成及功能，了解并熟悉了完整的单台计算机基本组成原理，复习并更好地掌握了计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。

致谢

这次课程设计是对所学的《计算机组成原理与结构》这门课程知识的一次综合应用。

完成课设的过程不但复习了《计算机组成原理与结构》的知识，还增强了我们的动手能力，使我们有了把知识应用到实际操作当中的能力。

通过本次实验，我们学会了并掌握了在综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路的基础上，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）的方法。

感谢课设过程中杨立老师的精心指导和耐心讲解，使我们的程序得以顺利的完成，并取得很好的运行结果。

参考文献

[1]唐硕飞.计算机组成原理.北京：

高等教育出版社，2002

[2]白中英.计算机组成与结构.北京：

科学出版社，2003

[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京：

清华大学出版社，2004

[4]黄钦胜，朱娟.计算机组成原理.北京：

电子工业出版社，2003

[5]马礼.计算机组成原理与系统结构.北京：

人民邮电大学，2004

[6]马群生，温冬婵等.微计算机技术.北京：

清华大学出版社，2003

[7]徐志伟，冯百明等.网络计算技术.北京：

电子工业出版社，2004

[8]谢瑞和.奔腾系列微型计算机原理及接口技术.北京：

清华大学出版社，2002

[9]张钧良.计算机组成原理.北京：

电子工业出版社，2004

[10]蒋本珊.计算机组成原理与系统结构.北京：

北京航空航天大学出版社，2000

指导教师评语及设计成绩

评语

课程设计成绩：

指导教师：

日期：

年月日