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组成原理课程设计

摘要1

第一章程序设计概述2

1.1课程设计的目的2

1.2课程设计任务及基本要求2

1.3课程设计原理3

第二章课程设计内容3

2.1指令格式4

2.2读写变化表5

2.3数据通路框图5

2.4微代码定义6

2.5A，B，P字段内容6

第三章设计微指令7

3.1微程序代码7

3.2工作程序的设计8

3.3指令实现信号9

第四章指令格式及指令系统10

4.1数据格式10

4.2指令格式10

4.3指令系统11

第五章流程图12

5.1控制台流程图12

5.2程序控制图12

第六章连接试验线路13

第七章运行与调试14

7.1单步运行14

7.2连续运行程序14

7.3程序运行结果15

第八章总结17

致谢18

参考文献19

附录一指令译码电路20

附录二寄存器译码电路20

摘要

随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。

本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现，它正体现了这一点。

利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。

本次设计完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。

首先向存储器（RAM）中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。

另外，还需设计三个控制台操作微程序：

存储器读操作（READ），存储器写操作（WRITE），运行程序（RUN）。

以上各微指令设计完毕后，连接线路在天煌教仪计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。

有带进位加法和立即数寻址方式的模型机系统是一个教育单位不可缺少的部分，它的内容对于学校的决策者和管理者来说都至关重要。

本文介绍了有带进位加法和立即数寻址方式的模型机的开发整个过程，阐述了系统分析、系统设计、数据库设计和系统实施的全过程。

在开发方法上本系统利用了软件工程化的思想和方法，总体上采用结构化生命周期开发方法，具体模块实施采用了原型法和面向对象系统开发方法。

这一课题的实现不仅使我们对各种微指令有了熟练的掌握，更对以后的学习、工作中有深远的影响。

关键词：

微指令机器指令控制信号

第一章程序设计概述

1.1课程设计的目的

本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。

再设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。

1.2课程设计任务及基本要求

本课程设计以天煌教仪计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。

1.按给定的数据格式和指令系统，理解为程序控制器的设计原理。

2.设计给定机器指令系统遗迹微程序流程图，按照指令格式写出微程序的微指令代码

3.连接逻辑电路，完成启动、测试、编程、校验和运行，并观测运行过程及结果。

4.将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机，组成一台模拟计算机。

5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。

6.通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立计算机的整机概念，掌握计算机的控制机制。

7.按指定应用项目进行汇编指令格式及功能设计，并设计相应的机器指令代码，按照模型及数据通路设计实现机器指令功能的微程序。

在PC机上编辑机器指令和微程序，装载代码到THTJZ-2型实验系统并运行，实现应用要求。

1.3课程设计原理

模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能，并且编写相应的

微程序，简单的模型机都是由算术逻辑单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。

我们可以先设计模型机的逻辑框图，然后编制相应的指令系统，模型机组装好后就可以输入事先编好的程序检验模型机是否成功。

在部件试验中，我们是人为用二进制开关来模拟一些控制信号来完成数据通路的控制。

而在本课程设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本设计的规定项目采用五条机器指令：

IN（输入）、MOV（将最终计算结果存入间接地址中）、ADD（二进制加法）、NOT（给2X取非）、STA（将X存入直接地址中）、DEC（减1）、OUT（输出）、HLT（保持执行结束状态，不再执行操作）。

第二章课程设计内容

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

2.1指令格式

本实验采用六条机器指令：

IN,OUT,STA,加ADD,减SUB,循环左移RLC其指格式如下：

地址         内容          助记符                说明 

00            00         IN                 ；输入开关数据→R0，采集数据

01            10         ADD[0AH]          ；R0+[0AH]→R0

02            0A                            ；地址

03            20         STA[0BH]        ； R0→[0BH]

04            0B                            ；地址

05            30         OUT[0BH]        ；[0BH] →BUS,输出显示

06            0B                            ；地址

07            40         SUB[0AH]       ；R0-[0AH] →R0

08            0A                          ；地址

09            50         RLC

0A            01

0B

为了向RAM中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还必须设计三个控制台操作微程序。

存储器读操作:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB,SWA为“00”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作。

存储器写操作:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为“01”时,按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。

启动程序:

拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA置为“11”时,按START微动开关,既可转入到第01号“取址”微指令,启动程序运行。

上述三条控制台指令用两个开关SWBSWA的状态来设置。

2.2读写变化表

表1读写变化

SWB

SWA

控制台指令

0

0

1

0

1

1

读内存（KRD）

写内存（KWE）

启动程序（RP）

2.3数据通路框图

图1数据通路框图

2.4微代码定义

表2微代码的定义

微程序

24

23

22

21

20-

19

18

17

16

15

14

13

控制信号

S3

S2

S1

S0

M

CN

RD

M17

M16

A

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

B

P

uA5

uA4

uA3

uA2

uA1

uA0

2.5A，B，P字段内容

表3A，B，P字段内容

A字段B字段P字段

15

14

13

控制信号

12

11

10

控制信号

9

8

7

控制信号

0

0

0

.0

0

0

0

0

0

0

0

1

LDRI

0

0

1

RS_G

0

0

1

P1

0

1

0

LDDR1

0

1

0

0

1

0

0

1

1

LDDR2

0

1

1

0

1

1

1

0

0

LDIR

1

0

0

1

0

0

P4

1

0

1

LOAD

1

0

1

ALU_G

1

0

1

1

1

0

LDAR

1

1

0

PC_G

1

1

0

LDPC

当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。

由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1测试结果出现多路分支。

本次课程设计用指令寄存器的前4位（I7-I4）作为测试条件，出现6路分支，占用6个固定微地址单元。

控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB，SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。

当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。

第三章设计微指令

3.1微程序代码

根据以上编写的微程序，以及微指令代码化的方法得到的微程序代码为：

$M00018001

$M0101ED82

$M0200C048

$M0300B004

$M0401A205

$M05959B41

$M0600E007

$M07028201

$M08001001

$M0E01ED83

$M0A01ED86

$M0B01ED98

$M0C01ED8D

$M0D00D181

$M1800E00F

$M0F00A015

$M15070A01

3.2工作程序的设计

将题目设计的模型机的指令用汇编语言描述其具体结构为：

表4模型机的指令用汇编语言描述其具体结构

地址

内容

助记符

说明

00000000

00000000

IN

Input->R0

00000001

11100000

ADCImm

R0+Imm+cy->R0

00000010

00001010

00000011

00100000

STA[0BH]

R0->[0BH]

00000100

00001011

00000101

00110000

OUT[0BH]

[0BH]->LED

00000110

00001011

00000111

01000000

JMP

Addr->PC

00001000

00000001

工作程序代码为：

$P0000

$P01E0

$P020A

$P0320

$P040B

$P0530

$P060B

$P0740

$P0801

3.3指令实现信号

表5指令实现信号

助记符

信号

IN

PC->AR,PC+1

LDPC,PC-B,LDAR

RAM->BUS,BUS->IR

W/R,CE,LDIR

INPUT->BUS

SW-B,LDRi

ADC

PC->AR,PC+1

LDPC,PC-B,LDAR

RAM->BUS,BUS->DR2

W/R,CE,LDDR2

R0->DR1

LDRi.LDDR1

（DR1）+（DR2）+cy->R0

S3-S0,M,Cn,ALU-B

STA

PC->AR,PC+1

LDPC,PC-B,LDAR

RAM->BUS,BUS->AR

W/R,CE,LDAR

R0->BUS,BUS->RAM

LDRi,W/R,CE

OUT

PC->AR,PC+1

LDPC,PC-B,LDAR

RAM->BUS,BUS->AR

W/R,CE,LDAR

RAM->BUS,BUS->DR1

W/R,CE,LDDR1

DR1->LED

ALU-B,LED-B,W/R

JMP

PC->AR,PC+1

LDPC,PC-B,LDAR

RAM->BUS,BUS->PC

W/R,CE,LDPC

第四章指令格式及指令系统

4.1数据格式

模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：

7

6543210

符号

数据

其中，第7位为符号位，数值表示范围是：

-1≤X＜1。

4.2指令格式

模型机设计4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。

（A）算术逻辑指令

设计9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：

7654

32

10

OP-CODE

Rs

Rd

其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：

9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式。

（B）访问指令及转移指令

模型机设计2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA）；2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC）。

设计9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：

76

54

32

10

00

M

OP-CODE

Rd

D

其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量（正负均可），M为寻址方式，其定义如下：

寻址方式

有效地址

说明

00

01

10

11

E=D

E=（D）

E=（R2）+D

E=（PC）+D

直接寻址

间接寻址

R2为变址寻址

相对寻址

（C）输入输出指令

7654

32

10

OP-CODE

addr

Rd

其中，addr=01时，选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为入设备，addr=10时，选中OUTPUTDEVICE中的数码快作为输出设备。

（D）停机指令格式如下：

76543210

OP-CODE

00

00

这类指令只有1条，即停机指令HALT。

4.3指令系统

本模型机共有16条基本指令。

其中，算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。

表5列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUTDEVICE）；另一种是数码块，它作为输出设备（OUTDEVICE）。

例如：

输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。

输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（W/E）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。

该系统实现的功能是对输入的数据可以和内存中的数据进行连续的加、减及循环左移运算，并对其结果进行存储，显示等功能，从而得到一个简易的复杂模型机所实现的功能。

第五章流程图

5.1控制台流程图

图2控制台流程图

5.2程序控制图

图3程序流程图

第六章连接试验线路

复杂模型机系统连线图

图4复杂模型机系统连线图

第七章运行与调试

7.1单步运行

1.使编程开关处于“RUN”状态,STEP为“STEP”状态,STOP为“RUN”状态。

2.拨动总清处于CLR（0_1）,微地址清零,程序计数器清零,程序首址为00H。

3.单步运行一条微指令,每按动一次START键,即单步运行一条指令,对照微程序流程图,观察微地址显示是否和流程一致。

D当运行结束后.可检查存数单元中的结果是否和理论值一致。

7.2连续运行程序

1.使“STARTUNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态.STOP开关置为“RUN”状态。

2.拨动CLR开关,清微地址及程序计数器,然后按动START,系统连续运行程序,稍后将“STOP”拨至“STOP”时,系统停机。

3.联机后,可检查存数单元结果是否正确。

若联机运行程序时,进入DEBUG调试界面,总清开关CLR清零后，程序首址为00H.按相应功能键既可联机运行调试程序。

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

7.3程序运行结果

图5运行截屏图

图6汇编程序代码

图7程序调试图

图8指令运行调试

第八章总结

通过这次课程设计，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，加深了对组成原理理论课程的理解。

在这次课程设计中，很多计算机组成原理的知识在实际中得到运用，对组成原理的很多内容有了一个直观的认识，自身理论知识和动手能力得到很大提高。

有很大的收获。

本次实验大体上分为三步。

首先，是连接电路。

其次，装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行,通过观察运行情况和数据在总线上的流动,了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义。

最后，自己设计程序并装载运行并检验运行结果。

对于自己要设计的程序首先根据题目要求写出它的汇编格式，再根据这个汇编格式写出机器指令并设计出微程序流程图。

最后根据所设计的微程序流程图写出其微指令代码。

这些工作完成后把所设计的机器指令和微程序代码改写成指定的格式装载到实验系统上运行，观察运行过程和设计目的是否一致。

如果不一致,要进行适当的修改直到一致为止。

经过多次修改，最终实现设计要求。

通过这次实验设计是我加深了对机器指令和微指令的理解和计算机计算流程的了解。

通过这一次的课程设计，我们收获很大，我们了解了一个比较成熟的模型机的实现，并在参与其中，体会其中的种种困难，了解到了难点的地方，这对于我们学习这门课程有着很大的帮助，同时对于之前的几次试验我们操作机器录入的理解也更加的深刻了，在设计过程中，我们从开始的粗略的一个概念，到中间的疑惑与焦虑，到解决了问题的快乐。

这对于我们以后工作也有着很大的好处，培养了我们遇到问题，分析问题，解决问题各个方面上的能力。

平时我们做作业也都是在做书本上面给我们的题目，而这一次则是由我们自己设计出的，这对我们的创新意识也是一种很大培养。

我相信有了这种实验的经历，我们以后再就业的过程当中也会多一份自信。

我们希望学校以后可以多为我们提供这样的机会，这样我们就可以在实践中得到平时课堂上面所缺失的一些能力，同时希望学校可以在别的学科也可以小组成员里这样给我们提供如此之好的条件来进行教学。

这样可以使我们的综合素质的到很好的提升。

致谢

感谢吕俊龙老师带我们计算机组成原理课并教会我们如何使用天煌教仪仿真软件，锻炼了我们的动手的力，使我们对计算机组成原理和天煌教仪仿真软件的知识有了更加深刻的理解。

在本次课程设计中吕俊龙老师与我们做了深刻的沟通，对课程设计中可能出现的一些问题作了详细的讲解，此外，在学习上经常激励我们学好每一门课。

通过该实训项目，使我们懂得了学以致用的重要性，并且能够把所学的知识应有到课程设计中，遇到不懂的地方通过请教老师，和同学互相商量共同学习，虚心请教同学，互帮互助，使我认识到团结的重要性，增加了团队精神、协作精神，将终身受益。

在课程设计即将完成之际，回顾紧张但又充实的课程设计过程，本人在此向所有关心我的及帮助我的老师和同学们致以最真诚的感谢。

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北京：

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附录一指令译码电路

图附1指令译码电路

附录二寄存器译码电路

图附2寄存器译码

图附3微程序控制电路