计算机组成原理课设.docx
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计算机组成原理课设
一、课程设计的原始资料及依据
查阅有关计算机组成原理的教材、实验指导书等资料，进一步熟悉微程序控制器原理，微指令的设计方法。
在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上，进一步将各部件组成系统，构造一台基本模型计算机。
为给定的机器指令编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。
二、课程设计主要内容及要求
1．认真阅读资料，掌握给定的机器指令的操作功能。
2．分析并理解数据通路图。
3．根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。
4．根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序，形成“二进制微指令代码表”。
5．全部微程序设计完毕后，将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。
6．进行机器指令程序的装入和检查。
7．运行程序，检查结果是否和理论值一致。
8．IN、ADD、JMP指令为必做指令，另外新定义1条机器指令重复上述过程。
各组要求新定义的机器指令如下：
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
1
AND[addr]
R0AND[addr]->R0
6
NOT[addr]
2
OR[addr]
R0OR[addr]->R0
7
DEC[addr]
[addr]-1->R0
3
XOR[addr]
R0XOR[addr]->R0
8
LOD[addr]
[addr]->R0
4
SUB[addr]
R0-[addr]->R0
9
DECR
R0-1->R0
5
ROA[addr]
9．STA和OUT指令为选做指令，供有能力的学生完成。
10．记录出现故障的现象，并对故障进行分析，说明排除故障的思路及故障性质。
11．独立思考，认真设计。
遵守课程设计时间安排。
12．认真书写课程设计说明书，避免相互抄袭。
三、对课程设计说明书撰写内容、格式、字数的要求
1．课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体，主要内容包括：
设计题目、设计目的、设备器材、设计原理、设计内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、参考文献等。
一般不应少于3000字。
2．在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。
应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
3．设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会，包括通过课程设计有何收获，程序有哪些不足之处，哪里遇到了困难，解决的办法，以及今后的目标。
设计小组任务分配及自评处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员，并由设计组组长给出评语。
包括该同学主要完成了哪些任务，课程设计期间的表现和态度如何，组长自己的评语由小组其他成员集体讨论后写出。
4．课程设计说明书手写或打印均可，具体要求如下：
●手写时要用学校统一的课程设计用纸，用黑或蓝黑墨水工整书写；
●打印时采用A4纸，页边距均为20mm，章标题（如:
2设计原理及内容）和目录、摘要、参考文献、设计小组评语等部分的标题用小三号黑体，上下各空1行，居中书写；一级节标题（如:
2.1设计原理）采用黑体四号字，二级节标题（如:
2.1.1数据通路）采用黑体小四号字，左对齐书写。
●正文采用宋体小四号字，行间距18磅，每个自然段首行缩进2个字。
●图和表的要有编号和标题，如：
图2.1数据通路图；表1.1机器指令表。
图题与表题采用宋体五号字。
表格内和插图中的文字一般用宋体五号字，在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。
●英文字体和数字采用TimeNewRoman字体，与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。
●页码用五号字，在每页底端居中放置。
5．课程设计说明书装订顺序为：
封面、任务书、成绩评定表、设计小组任务分配及自评、目录、正文、参考文献。
在左侧用订书钉装订，不要使用塑料夹。
四、设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求
1．完成“基本模型机”中指定机器指令的操作功能，运行稳定。
2．撰写课程设计说明书。
五、时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
第1天
（12月8日）
阅读资料、系统分析设计
2
第2天
（12月9日）
系统分析设计、微程序编制
3
第3-4天
（12月10日-11日）
微程序输入、调试及运行
4
第5天
（12月12日）
基本模型机运行验收
按组号验收
5
第6-7天
（12月13日-14日）
撰写课程设计说明书
六、主要参考资料（文献）
[1]王健、王德君.计算机组成原理实验指导书.沈阳工程学院,2005
[2]白中英.计算机组成原理（第4版）.北京:
科学出版社,2007
[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京:
清华大学出版社,2004
[4]唐朔飞.计算机组成原理.北京:
高等教育出版社,2000
沈阳工程学院
计算机组成原理课程设计成绩评定表
系（部）：
信息工程系班级：
计本061学生姓名：
成兴强、李莹、黄桂声
指导教师评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作。
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以4）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
答辩小组评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
学生汇报
汇报准备充分，思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确，有层次，有重点，基本上反映了所完成任务的全部内容；时间符合要求。
0.5
5
4
3
2
答辩
思路清晰；回答问题有理论依据，基本概念清楚；主要问题回答准确，深入，有说服力。
0.5
5
4
3
2
答辩小组评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
答辩小组教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
计算机组成原理课程设计
设计小组任务分配及自评
组号
第6组
组长
成兴强
全体成员
任务
学号：
2006403126
姓名：
成兴强
学号：
2006403104
姓名：
李莹
学号：
2006403108
姓名：
黄桂声
分配微地址
√
控制台操作编码
√
实验电路接线
√
√
IN指令
√
ADD指令
√
JMP指令
√
新指令【NOT】
√
STA指令（选做）
√
OUT指令（选做）
√
出勤情况
良好中等差
良好中等差
良好中等差
课程设计说明书
撰写比例
35%
35%
30%
备注
设计小组自评
成兴强：
能够积极带动组员积极性，加强合作。
带领本组提前、成功的完成了对所有任务设计与实现，细心为组员讲解、探讨并将选做内容也一并全部实现
李莹：
认真完成了自己的负责的内容并积极配合组长，共同探讨遇到的各种难点，加以解决，为本次课设成功完成付出很多
黄桂声：
认真完成了自己负责的内容，虚心学习，认真踏实
摘要
随着经济的发展，计算机在我们的生活中起到了越来越重要的作用，而计算机又是如何将各种各样的器件有机的组合在一起完成现在计算机的强大功能的呢？
它又是如何将我们的每条命令进行“理解”并响应我们的呢？
带着这么多的疑问我们学习了计算机组成原理。
计算机组成原理”是计算机科学与过程技术所有专业的一门核心课程，他的特点是涉及的知识面广、内容多、难度大、更新快，在基础课与专业课之间起着重要的承上启下作用。
本课程脱离具体机型和具体芯片，以计算机组成结构为中心阐述基本概念和原理。
计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。
计算机组成原理为我们阐述了计算机系统的相关知识，我们知道计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的多级层次结构，它通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每个级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。
在本次课设中，我们主要要完成的任务是基本模型机的设计与实现，简单来说即微指令的调试。
微程序控制器同硬布线控制器相比较，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中逐渐取代了早期采用的硬布线控制器，并已被广泛地应用。
在计算机系统中，微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。
微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。
当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。
本组所要完成的指令为IN、ADD、STA、OUT、NOT、JMP。
关键词计算机组成原理，微指令，机器指令
目录
摘要I
第一章 设计概述1
1.1设计题目1
1.2设计目的1
1.3设备器材1
第二章 设计内容及原理2
2.1设计原理2
2.2数据通路图3
2.3控制台操作微程序流程3
2.4微程序控制电路4
2.5微指令格式7
第三章 设计步骤9
3.1连接实验线路9
3.2写入程序9
3.3运行程序10
第四章遇到的问题及解决的方法12
设计总结13
致谢14
参考文献15
第一章 设计概述
1.1设计题目
基本模型机的设计与实现
1.2设计目的
1.掌握机器指令与微程序的对应关系。
2.掌握机器指令的执行流程。
3.掌握机器指令的微程序的编制、写入。
4.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将组成系统，构成一台基本模型计算机。
5.为其定义五条机器指令和新定义一条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。
6.掌握微程序执顺序强制改变的原理。
1.3设备器材
TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。
第二章 设计内容及原理
2.1设计原理
前面的部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次设计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完成，即一条机器指令对应一条微程序。
本次设计采用五条机器指令；IN（输入）、ADD（二进制加法）、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
IN
00000000
“DATAUNIT”中的开关状态->R0
ADDaddr
00010000XXXXXXXX
R0+[addr]->R0
STAaddr
00100000XXXXXXXX
R0->[addr]
OUTaddr
00110000XXXXXXXX
[addr]->R0
NOTaddr
01000000XXXXXXXX
[addr]->BUS
JMPaddr
01010000XXXXXXXX
addr->PC
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。
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程序。
存储器读操作（KRD）：
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（KWE）：
拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“01”时，按START微动开关，可对RAM连续手动写入。
启动程序：
拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。
上述三条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）
2.2数据通路图
数据通路图，如图2.1所示：
图2.1 数据通路图
注意：
①CE=0为有效电平，CE=1为无效电平 。
②LDCP为“1”时，同时A字段为“101”时，可将总线上的数据装入到PC中；仅有LDCP为“1”时，将PC中内容加1。
2.3控制台操作微程序流程
控制台操作为P（4）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，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控制存储器一个微地址单元随意填写。
当设计“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P
（1）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P
（1）的测试结果出现多路分支。
本机用指令寄存器
的4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。
三个控制台操作微程序的流程如图2.2所示：
图2.2 控制台操作微程序流程图
注意：
微程序流程图上的单元地址为8进制。
2.4微程序控制电路
本实验系统的指令寄存器（IR）：
指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。
当前执行一条指令时，先把它从地址码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P
（1），通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。
“指令译码器”（实验板上标有“INSDECODE”有芯片）根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
微程序地址转移电路如图2.3所示。
图2.3 微程序地址转移电路
FC：
进位标志
FZ：
0标志
SWA、SWB存储器读写控制标志
P
（1）～P（4）：
微指令C字段译码输出结果
I2～I7：
机器指令第2位～第7位。
根据该逻辑电路图，得SE1～SE5的逻辑表达式如下如图4：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
由这些逻辑表达式可知：
由于P
（1）～P（4）微指令中C字段译码后的部分输出，所以它们至多有一个有效（低电平）。
当P
（1）有效时，在T4时刻，可以通过对I4～I7置“1”，使对应的SE1～SE4有效（低电平）。
当P
（2）有效时，在T4时刻，可以通过对I2～I3置“1”，使对应的SE1～SE2有效（低电平）。
当P（3）有效时，在T4时刻，标志位FZ或者FC有效（高电平）使SE7有效（低电平）。
当P（4）有效时，在T时刻，外部输入控制信号SWA或者SWB有效（高电平），使SE1～SE2有效（低电平）。
系统涉及到的各个机器指令的微程序流程图如图2.4所示：
图2.4微程序流程图
2.5微指令格式
微指令字长共24位，其控制位顺序如图2.5所示：
图2.5微指令格式
掌握机器指令与微程序的对应关系，机器指令的执行流程，器指令的微程序的编制、写入，部件单元电路实验的基础上，进一步将组成系统，构成一台基本模型计算机。
为其定义五条机器指令和新定义一条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念，掌握微程序执顺序强制改变的原理。
在机器中，执行任何一条指令时，系统都要对指令的操作码进行测试即分辨要执行哪一条指令，所以，在为每条指令分配首地址时，都要通过计算即我们人为的为它进行测试，参照表2.2，要将每条指令的操作码的高六位输入到如图2.3所示的微程序地址转移电路中，经过计算，将SE5—SE1处输出的结果与某一地址做运算，本此设计中，选择40（八进制）地址，在设计微指令的时候，要保证地址不能重复，并且还要保证选择的地址即40（八进制）能够使每条指令区分开即系统通过测试能够识别要执行哪条指令，注意以上要点，设计本次的微指令，将画好的微程序流程图中每一CPU周期的微操作按微指令格式转化成二进制代码，如表2-1所示。
微地址（八进制）
S3S2S1S0MCNWECELDPC
A
B
C
ua5-ua0（八进制）
KT
00
000000011
101
110
100
20
KWE
21
000000011
110
111
000
24
24
000000100
000
110
000
21
KRD
20
000000011
110
111
000
22
22
000000000
000
000
000
20
RP
23
000000011
110
111
000
25
25
000000000
100
000
001
40
IN
40
000000010
001
110
000
23
ADD
41
000000010
010
001
000
51
51
000000011
110
111
000
52
52
000000000
110
000
000
53
53
000000000
011
000
000
54
54
100101010
001
101
000
23
STA
42
000000011
110
111
000
60
60
000000000
110
000
000
61
61
000000100
000
001
000
23
OUT
43
000000011
110
111
000
56
56
000000000
110
000
000
57
57
000000000
000
000
000
23
NOT
45
000000011
110
111
000
46
46
000000000
110
000
000
47
47
000000000
010
000
000
50
50
000011010
001
101
000
23
JMP
44
000000011
110
111
000
55
55
000000001
101
000
000
23
表2-1微指令
本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（DATAUNIT）；另一种是发光二极管，它作为输出设备（BUSUNIT上的一组发光二极管）。
例如：
输入数时，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BUS上，驱动发光二极管显示。
本次设计机器指令程序如表2-2所示：
表2-2机器指令
地址（八进制）
内容（二进制）
助记符
说明
40
00000000
IN
“DATAUNIT”R0
41
00010000
ADD[4BH]
R0+[4BH]R0
42
01001011
43
00100000
STA[4CH]
R0[4CH]
44
01001100
45
00110000
OUT[4CH]
[4CH]BUS
46
01001100
47
01010000
NOT[4DH]
[4DH]R0
48
01001101
49
01000000
JMP[40H]
40HPC
4A
01000000
4B
00000001
被加数
4C
00000010
求和结果
4D
01110110
第三章 设计步骤
3.1连接实验线路
按图3.1所示，连接实验线路，仔细查线路无误后接通电源。
图3.1 实验接线图
3.2写入程序
1.按如下步骤讲微代码写入微控器中的存储器2816中：
（1）将编程开关置为PROM（编程）状态。
（2）将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。
（3）用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。
（4）在MK24－MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。
启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816的相应地址对应的单元中。
重复
（1）－（6）步骤，将微代码写入2816中。
2.按如下步骤校验微代码
（1）将编程开关置为READ（校验）状态。
（2）将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。
（3）用二进制模拟开关置微地址MA5—MA0。
（4）启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。
观察显示灯MD24－MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。
如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行（3））即可。
3.使用控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。
（1）使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。
（2）拨动总清开关CLR（0->1），微地址寄
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