计算机组成原理课程设计基本模型机设计与实现.docx

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计算机组成原理课程设计基本模型机设计与实现

计算机组成原理课程设计一基本模型机设计与实现

计算机组成原理课程设

课程设计名称：

计算机组成原理

设计项目名称：

基本模型机设计与实现

专业：

计算机科学与技术

班级：

计科们5

一、课程设计的教学目的

本课程设计的教学目是在掌握计算机系统的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，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,在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。

学会微程序的设计方法，进一步掌握微程序控制器的工作原理，并体会设计方案的优劣对性能发挥的重要性,培养科学研究的独立工作和创新能力，取得设计与调试的实践经验。

二、课程设计任务和基本要求

本课程设计以TDN-CM++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，设计一个微程序控制器。

2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微程序的为指令代码。

3.连接逻辑电路完成启动，测试，编程，测试,效验和运行，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，组成一台模型计算机。

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，建立计算机整机的概念，掌握计算机的控制机制。

7.按指定的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，按照模型机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TDN-CM++实验系统并运行，实现应用要求。

三、设计任务及分析:

（1）设计任务：

从输入设备读取数据X并将其存入以A为间接地址的内存单元，将X与Ro.寄存器中的内容Y执行X㊉J结果送到以B为直接地址的内存单元保存。

（2）分析：

A:

给Ro寄存器直接置入01H.

B:

从数据开关给间接地址为OCH的内存

单元置数，（03H）.

C:

给Ro中的内容取反，结果存在Ro中・

D:

将间接地址OCH中直接地址OEH中的内

容（03H）放入DR1中，R。

中的内容放入DR2中，将DR1和DR2种的数进行异或运算，结果放在R。

中.

E:

将R。

中的内容存在直接地址为ODH的

内存单元中.

四、设计原理

在部件实验中，我们是人为用二进制开关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。

计算机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

本设计的机器指令程序如下:

地址（二进制）

00000000

01H

00000001

00000010

[[0CH]]；

00000011

内容（二进制）

00000000

00000001

00010000

00001100

助记符

STARo,

INRo,

OOOO0100

00100000

NOT

Ro；

00000101

00110000

XOR

Ro,

[[0CH]]；

00000110

00001100

00000111

01000000

MOV

[0DH],Ro;

00001000

00001101

00001001

01010000

OUT

[ODHJ；

00001010

00001101

00001011

01100000

HLT；

数据区：

00001100

00001110

00001110

00000000

00001101

00000000

本设计的汇编指令如下：

指

令

注释

STARo,O1H；将O1H存在寄存器Ro

中

IN[[OCH]];给间接地址为OCH的

内存单元单元中置数

NOTRo；给Ro中的内容取反

XORRo，[[OCH]];将间接地址为OCH

的内存单元的内容和寄存器Ro中的内容执行

寄存器Ro

MOV[ODH]，Ro；

OUT[ODH];

HLT

异或运算，结果存入

将寄存器Ro中的内容存入直接地址为0DH的内存单兀中

输出0DH中的内容

停机

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，还设计了三个控制台操作微程序。

存储器读操作（KRD）:

拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“00”时，

按START微动开关，可对RAM进行连续手动读操作。

存储器写操作（KWE）:

拨动总清开关CLR

后，当控制台开关SWB、SWA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，当控制台开关SWB、SWA置为“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，其定义如表1：

表1

SWB

SWA

控制

台指令

0

0

读内

存（KRD）

0

1

写内

存（KRD）

0

1

启动

程序（RP）

根据以上要求设计数据通路

框图如图1所示。

图1数据通略框图

微指令格式如表2所示。

当微指令格式确定

以后，下一步就是确定后续微指令地址。

通常的方法是先确定微程序分支处的微地址，因为微程序分支处需要进行判断测试。

这些微地址确定以

后，就可以在一个“微地址表”中将分支微指令填入相应得分支地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误。

对于其它位置就可以按

A字段

13

选择

B字段

12I11I1（）~

C字段

9I8I7I~

条微指令对应一个微地址随意填写o

表2微指令格式

24

23

22

21

20

19

18

17

16

151413

1211

10

987

6

5

4

3

2

1

S3

S2

S1

SO

M

Cn

WE

A9

A8

A

B

C

UA5

UA4

UA3

UA2

UAI

UAO

5

4

0

0

0

0

0

1

LDRi

0

1

0

LDDR1

0

1

1

LDDR2

1

0

0

LDIR

1

0

1

LOAD

1

1

0

LDAR

0

0

0

0

0

1

RS-B

0

1

0

RD-B

0

1

1

RI-B

1

0

0

299-B

1

0

1

ALU-B

1

1

0

PC-B

0

0

0

0

0

1

P（l）

0

1

0

P

（2）

0

1

1

P⑶

1

0

0

P（4）

1

0

1

AR

1

1

0

LDPC

按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图2所示。

当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（l）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（l）的测试结果出现多路分支。

本机用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定的微地址单元。

当全部微指令设计完毕后，应将每条微指令代码化，表3即为将图2微程序流程图按微指令格式转化而得到的“二进制代码表”。

表3二进制微代码表

微地址

S3S2S1SOMCNWEA9A8

A

B

c

VAS—uA0

00

00（）000（）11

00（）

（MIO

100

010000

01

000000011

110

110

110

000010

02

（MIOO（M）OOl

10（）

（MIO

001

001000

03

0000（X）001

001

（MIO

000

000001

04

000000001

110

000

000

000101

05

（MIOO（M）OOl

110

（MIO

000

0（MH10

06

00000000（）

01（）

（MIO

000

000111

07

00（X）01101

000

101

000

000001

10

000000011

110

110

110

（）00011

11

000000011

110

110

110

000KX）

12

000000011

011

001

000

001111

13

00（）000011

110

110

11（）

010101

14

000000011

110

110

110

011100

15

000000011

110

110

110

011110

16

00（）000（）11

000

00（）

000

00111（）

17

010110011

001

101

000

0000（）1

20

000000011

110

110

110

010010

21

00000（X）11

110

110

110

0101IM）

22

000000001

010

000

000

010111

23

00（X）00011

000

000

000

000001

24

000000000

010

000

000

011000

25

000000001

110

000

000

010110

26

00（）000（）01

110

000

000

011001

27

00（X）01110

000

101

000

010000

30

000001101

000

101

000

010001

31

0U0000001

（）10

000

000

011010

32

00000（）（）11

（）11

（MH

000

011011

33

011010（）11

001

101

000

000001

34

0U0000001

110

000

000

011101

35

00（X）00101

00（）

（MH

000

000001

36

0U0000001

110

00（）

000

011111

37

000000001

010

000

000

100000

40

00（X）01110

000

101

000

000001

指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条

指令。

当执行一条指令时，先把它从内存取到缓

冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

指令划

分为操作码和地址码字段，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（l）l，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求

的操作。

“指令寄存器”（实验板上标有“INS

DECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码结

果强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应得微程序首地址。

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（INPUTDEVICE）;另一种是数码管，它作为输出设备（OUPUTDEVICE）o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，将输出的数据送到数据总线BUS上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，在数码管显示。

五、操作步骤

1.按图3连接实验电路

2.联机写程序

按照规定格式，将机器指令及微指令二进制代码表（如表4）编辑成十六进制的文件。

机器

代码：

$P0

30C

$P0

AOD

000

$P0

740

$P0

$P0

420

$P0

B60

101

$P0

80D

$P0

$P0

530

$P0

COE

210

$P0

950

$P0

$P0

60C

$P0

DOO

微指令格式:

$M

0801ED83

$M

18068A11

00018110

$M

1001ED92

$M

$M

0901ED84

$M

1900A01A

0101ED82

$M

1101ED94

$M

$M

0A01B20F

$M

1A01B21B

0200C048

$M

1200A017

$M

$M

0B01ED95

$M

1B699A01

03009001

$M

13018001

$M

$M

0C01ED9

$M

1C00E01D

0400E005

C

14002018

$M

$M

$M

$M

1D028201

0500E006

0D01ED9

1500E016

$M

$M

E

$M

1E00E01F

06002007

$M

1600E019

$M

$M

0E01800E

$M

1F00A020

07068A01

$M

17070A10

$M

$M

0F599A01

$M

20070A01

3联机运行

联机运行程序时，进入软件界面，转储一装载，再弹出窗口选择要装载的文件格式），

在装载完机器指令及微指令后，选择（运行）f（通路图）一（复杂模型机）功能菜单打开相应的动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。

本试验采用微指令单

运行微

控制介

步运行

02

RAM-BUS

BUS-*IR

02

10

1JJOT

14

XORMOVOUTHLT

PC—AR

PC-*AR

Ro-dr：

PC-AR

PC-AR

PC-*AR

HLT

PC+1

PC+1

PC+1

PC+1

PC+1

10

12

03

04

T7

25

34

36

RAM—bUS

RAM-

♦BUS

-

DR：

t■艮

BUS—R®

BUS

RAM—BUSBUSfAR

RAM-*BUSBUSfAR

17

31

01

SLBUSBUS-^DRi&

05

32

01

xiry

DR2

33

01

01

01

busum

B?

:

MJJJ

Oo-

VfltUKTT

SWITCHUNIT

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SIONA1UWT

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Tfl7uJ-S—JI?

LOGUNIT

te

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INPUTDEVICE

□D7：

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图3接线图

六、实验结果。

本实验的操作数为X=03H,Y=01H,其中X的直接地址为OEH,间接地址为OCH,Y取反后和X进行逻辑异或运算的结果为FDH,将此结果保存在FDH中，最后输出单元输出的结果为FDH

第一条机器指令STAOIH（Y）移入寄存器Ro,该指令执行之后,Ro中的内容为01H.

第二条机器指令IN,从数据开关将03H（X）输入到内存,将其存入直接地址为0EH,间接地址为0CH的内存单元.

第三条机器指令NOT将寄存器Ro中的内容取反，结果仍存入Ro•该指令执行之后，Ro中的内容为FEH.

第四条机器指令XOR将X放入DR1中，将Ro中的内容放入DR2中，将DR1和DR2种的数进行异或运算，结果放在R。

中•此时R。

中的内容为FDH。

第五条机器指令MOV将结果存入直接地址位ODH的内存单元中。

第六条机器指令OUT将ODH中的内容送到DR1,从DR1输岀。

此时数码管显示为FDH。

第七条机器指令HLT为暂停。

七、实验总结

通过这次的课程设计，我明白了机器指令和微指令之间的关系，机器指令为微指令提供入

口以及操作数或操作数的地址，微指令具体实现机器指令所指定的功能。

此外,通过这次实验，我对微程序控制器的工作方式有了更进一步的理解，将知识运用于实践中，根深的理解和掌握知识，同时也是对自己分析问题,解决问题的能力的考验，通过这次实践为我以后的学习打下基础。

八、参考文献

白中英著

《计算机组成原理》

高等教育出版社

《计算机组成原理与应用》工业出版社王子齐著唐朔飞著

九、教师点评

教师姓名:

日期: