北华航天工业学院计算机组成原理课设报告材料.docx

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北华航天工业学院计算机组成原理课设报告材料

《计算机组织与体系结构》

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：

计算机科学与工程系

作者所在专业：

网络工程

作者所在班级：

B11522

作者姓名：

张旭刚

指导教师姓名：

房好帅

完成时间：

2013/6/28

北华航天工业学院教务处制

内容摘要2

课程设计任务书3

第1章绪论4

1.1设计地点4

1.2设计目的4

1.3设计内容4

1.4实验的环境4

1.5课程设计的要求5

第2章基础知识6

2.1概述6

2.2主要技术要点7

2.2.1ALU部件7

2.2.2.存储体7

2.2.3控制器7

第3章系统设计与实现9

3.1模型机结构9

3.2程序设计原理10

3.2.1数据格式及指令格式10

3.2.2指令系统11

3.2.3微指令设计11

3.4.4实验结果20

总　结21

内容摘要

计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。

计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核（逻辑线路），第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。

计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。

本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机，在实验中了解，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。

以及增强自己的动手能力。

课设主要依托组成原理实验室设备EL-JY-II来完成的，在实验当中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。

关键词

模型机微指令机器指令微地址微代码

课程设计任务书

课题名称

复杂模型机系统设计及运行

完成时间

2013.6.28

指导教师

房好帅

职称

讲师

学生姓名

张旭刚

班级

B11522

总体设计要求和技术要点

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）利用实验设备平台构造完整的模型机；

（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；

（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；

（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；

（5）构造指令系统，定义至少15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术/逻辑运算以及输入输出处理。

（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。

工作内容及时间进度安排

总计2周：

1.6月17日：

资料查阅、确定选题、系统总体设计

2.6月18日－21日：

熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制

3.6月24日－28日：

系统调试与运行，现场验收设计成果

4.6月28日：

上交设计报告（打印稿及电子稿）

课程设计成果

1.课程设计硬件系统及配套软件

2.课程设计报告书

第1章绪论

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）。

1.1设计地点

图书馆五楼计算机组成原理实验室。

1.2设计目的

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。

1.3设计内容

（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；

（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；

（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；

（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；

（5）构造指令系统，定义至少15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术/逻辑运算以及输入输出处理；

（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。

1.4实验的环境

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。

1.5课程设计的要求

要求画出系统模块框图：

按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。

检查模块逻辑功能是否正确；

第2章基础知识

2.1概述

计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层

次上。

计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。

计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。

图2-1微处理器结构

（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。

运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU、通

用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。

（2）存储器是存放数据和程序的部件。

计算机中的存储器按功能分为主存、辅存和高速缓冲存储器CACHE，由这3类存储器构成存储系统的层次结构。

（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、指令译码器和时序控制器等部件。

（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。

2.2主要技术要点

2.2.1ALU部件

ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。

它的基本逻辑结构是先行进位加法器。

74181是国际流行的4位ALU中规模集成电路，能对两个4位二进制代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。

16种运算又由S3S2S1S0四位控制选择。

用

表示ALU的最低位进位输入，用

+4表示ALU的进位输出信号。

2.2.2.存储体

静态MOS存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。

存储体是存储单元的集合。

地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。

控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。

2.2.3控制器

CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。

对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。

控制器组成如下：

（1）指令计数器：

存放要执行的下一条指令的地址。

（2）指令寄存器：

存放现行指令。

（3）指令译码器：

对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件。

（4）脉冲源及启停控制电路：

脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生于停止，实现对机器的启动和停机。

（5）时序信号产生部件：

以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节

拍、工作脉冲等时序信号。

（6）操作控制信号形成部件：

综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。

（7）中断机构：

对异常情况和外来请求处理。

（8）总线控制逻辑：

对总线信息传输控制。

（9）操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。

该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或可编程逻辑阵列PLA方式。

微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。

微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。

微指令的每一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。

微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应一段微程序。

计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。

每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。

第3章系统设计与实现

3.1模型机结构

运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS237构成，暂存器2由U5-U6两片74LS237构成。

微控器部分控存由U13-U15三片2816构成。

除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。

存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。

输出设备有底板上的四个LED数码管及其译码器、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。

在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上

数据总线。

在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可因不用。

图3-1模型机结构

3.2程序设计原理

3.2.1数据格式及指令格式

本模型机规定数据采用整数表示，字长为16位。

指令格式可设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。

1．算术逻辑指令

设计九条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：

表3－1算术逻辑指令格式

7 6 5 4

3 2

1 0

OP-CODE

addr

其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定如表3.2所示：

表3－2寄存器选择定义

RS或RD

选定的寄存器

2．访问指令及转移指令

模型机设计两条访问指令，即存数、取数，转移指令，无条件转移（JMP）、指令格式如下：

表3－3访问、转移指令格式

OP-CODE

其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址。

D为位移量，M为寻址模式，其定义如下：

表3－4寻址模式定义

寻址模式M

有效地址E

说　明

E=D

E=（D）

E=（PC）+D

立即数寻址

直接寻址

间接寻址

3． I/O指令

输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：

表3－5输入输出指令格式

7 6 5 4

3 2

1 0

OP-CODE

addr

其中，addr=01时，选中输入设备，addr=10时，选中输出设备。

3.2.2指令系统

表3－6列出各条指令的格式、汇编符号和指令功能。

表3－6指令格式、汇编符号和指令功能

汇编符号

指令格式

功能

MOVrd，rs

ADDrd，rs

SUBrd，rs

INCrd

ANDrd，rs

NOTrd

RORrd

ROLrd

1000rsrd

1001rsrd

1010rsrd

1011rdrd

1100rsrd

1101rdrd

1110rdrd

1111rdrd

rs-→rd

rs+rd→rd

rd-rs→rd

rd+1→rd

rsrd→rd

rd→rd

MOV[D]，rd

MOVrd，[D]

001000rd

001001rd

rd→[D]

[D]→rd

JMPD

MOVrd，D

00001000

000010rd

D→PC

D→rd

INrd，KIN

OUTDISP，rd

010010rd

010001rd

KIN→rd

Rd→DISP

rd或rs00选择寄存器Ax01选择寄存器BX10选择寄存器CX

3.2.3微指令设计

表3－7列出了本次实验所使用的微指令集

微地址（八进制）

微地址（二进制）

微代码（十六进制）

000000

007F88

000001

005B42

000010

016FFD

000110

015FE5

000111

015FE5

001000

005B4A

001001

005B4C

001010

014FFB

001011

007FC1

001100

01CFFC

010000

005B65

010010

005B47

010011

005B46

010100

007F15

010101

02F5C1

010111

018FC1

011000

0001C1

011001

0041EA

011010

0041EC

011011

0041F2

011000

0041F3

011101

0041F6

011110

3071F7

011111

3001F9

100000

0379C1

100001

010FC1

100010

011F41

100101

007F20

101010

0029EB

101011

9403C1

101100

0029ED

101101

3003C1

110010

0003C1

110011

0025F5

110101

B803C1

110110

0C03C1

110111

207DF8

111000

000DC1

111001

107DFA

111010

000DC1

111011

06F3C8

111100

FF73C9

111101

016E10

3.3机器指令设计

表3－8列出了本次实验所使用的机器指令集

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

10H

0048H

0049H

0094H

00D0H

00F0H

0082H

0046H

00A4H

00D0H

00E0H

0082H

0046H

0094H

0082H

0046H

0008H

0000H

INAx,KIN

INBX，KIN

ADDAX，BX

NOTAX

ROLAX

MOVCX,AX

OUTDISP,CX

SUBAX,BX

NOTAX

RORAX

MOVCX,AX

OUTDISP,CX

ADDAX，BX

MOVCX,AX

OUTDISP,CX

JMP00H

输入AX

输入BX

AX+BX→AX

Not（AX）→AX

AX循环左移一位

AX→CX

CX→DISP

AX—BX→AX

Not（AX）→AX

AX循环右移一位

AX→CX

CX→DISP

AX+BX→AX

AX→CX

CX→DISP

00H→PC

3.4联机实验

3.4.1实验流程

图3-2微程序流程图

3.4.2实验连线

图3-3实验连线示意图

3.4.3实验步骤

（1）按照实验指导说明书连接硬件系统；

（2）启动实验软件，打开实验课题菜单，选中实验课题并打开参数对话窗口；

（3）微指令操作:

①写：

在编辑框中打开实验指导书中的微指令程序，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按"W"按钮,微程序写入控制存储器电路，结果如图3-2所示。

图3-4写微指令

②读：

将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0100”读状态，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“R”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中，如图3-3所示。

图3-5读取微指令

③保存:

按“保存”按钮，微程序代码保存在一给定文件（*.MSM）中。

④打开:

按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中。

（4）机器指令操作:

①写:

在编辑框中打开自己预先编辑好的程序zcc.asm，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“W”按钮,机器指令写入存储器电路；（注：

对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可以是2位，也可以是4位。

），结果如图3-4所示。

图3-6写机器指令

②读：

将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，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，结果如图3-5所示。

图3-7读机器指令

③保存：

按“保存”按钮，机器指令程序保存在一给定文件（*.ASM）中。

④打开：

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。

⑤单步:

在运行状态下运行程序前，先拨动“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。

⑥连续:

在连续运行程序前，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。

⑦程序中间会要求输入数据：

图3－8输入第一个数据

图3－9输入第二个数据

3.4.4实验结果

本次实验设计的机器指令实现的功能为：

[（AX+BX）’*2-BX]’/2+BX

输入数据：

01、01；

中间结果输出:

FFFB8002

最终结果输出：

8003

实验截图：

图3－10实验结果

总　结

通过本次课程设计，了解了微程序控制器的组成、微程序控制器的原理，学会设计简单的微程序，熟悉了基本电路及其功能。

此次课程设计最关键的步骤是理解了复杂模型机的原理，只要原理理解了，编写机器指令就很容易。

所以课程设计的最初阶段我们将大量时间花在了对原理的理解上，然后对实验指导书上的实验八进行了验证，因为本次课设是在实验八的基础上进行的。

最后才编写机器指令，我们的机器指令用到了多种运算，例如：

加、减、乘、除、移位、求反等操作，但是运算结果却和我们笔算的不一样，我们就反复实验，后来在老师的帮助下才知道了我们原来把移位和除2这个问题弄混了，最后终于成功了。

总的来说，本次课程设计中，我不但理解了复杂模型机的原理，同时也解了许多实验外的东西，对我以后的学习很有帮助。

不但这样，我还与搭档王俊杰一块研究，一块讨论，反复的问老师不懂的地方。

因此说：

本次课程设计是成功的。

课设过程中我们验证了对微程序控制器的实现过程，在实验过程中，我们亲自动手参与实验，在出现问题解决问题的过程中我们学到了更多关于实践的东西，使我们在课上学到的理论知识在课设中得到了更好的验证，做到理论与实践相结合。

这次课程设计对提高我们的实践能力有很大的帮助。

参考文献

[1]季福坤.计算机组织与系统结构.中国水利水电出版社，2010

[2]唐硕飞.计算机组成原理.高等教育出版社，2002

[3]白中英.计算机组织与结构.科学出版社，2003

[4]蒋本珊.计算机组成原理.清华大学出版社，2004

[5]黄钦胜.计算机组成原理.电子工业出版社，2003

[6]杨小龙.计算机组织与系统结构实验教程．西安电子科技大学出版社，2004

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

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