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计算机科学与技术学院

课程设计报告

课程名称：

计算机组成原理

专业：

计算机科学与技术

班级：

计算机1004班

学号：

201013137121

姓名：

廖明楷

指导老师：

邵平凡老师

日期：

2013年3月20日

目录

设计题目 1

1.数据格式 1

2.指令系统 1

2.1.算术逻辑运算指令 1

2.2.访内指令及转移指令 1

2.3.输入输出指令 2

2.4.停机指令 2

2.5.具体编码 2

3.数据通路 3

3.1.全局概略图 3

3.2.单片机写控制 4

3.3.微程序显示 4

3.4.指令寄存器 5

3.5.通用寄存器 6

3.6.运算器 7

3.7.内存和程序计数器 8

3.8.地址总线显示 9

3.9.手动输入微程序 10

3.10.单片机写微程序 10

3.11.控制存储器 11

3.12.指令译码 12

3.13.微地址显示 13

3.14.单片机与数据总线输入 14

3.15.设计说明 14

4.时序系统 15

4.1.时序系统与起停控制 15

4.2.时序波形图 15

5.微指令格式 16

6.微程序控制器 17

6.1.原理图 17

6.2.地址转移逻辑 18

7.微程序流程图 19

8.微程序代码表 19

9.设计体会 21

10.参考文献 21

11.附录 21

11.1.单片机写程序 21

11.1.微程序编码转换程序 29

31

计算机组成原理课程设计报告

设计题目

一台模型计算机的设计与调试

1.数据格式

字长：

8位

格式：

定点整数

7

60

符号

尾数

其中:

第7位为符号位，数值表示范围是：

定点整数：

-128≤X≤127。

2.指令系统

指令的类型设计：

算术逻辑运算、数据存取、程序控制、输入输出，按固定操作码4位长度进行设计，设计14条指令。

2.1.算术逻辑运算指令

设计7条算术逻辑运算类指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器寻址，指令为RR型，其格式如下：

74

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

2.2.访内指令及转移指令

2条访问指令：

存数（STA）、取数（LDA）

2条转移指令：

无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC）

指令格式为：

76

54

32

10

00

M

OP-CODE

Rd/Rs

D

其中：

D为位移量（正负均可），M为寻址方式，其定义如下：

寻址方式M

有效地址

说明

0　0

0　1

1　0

1　1

E=D

E=（D）

E=（Ri）+D

E=（PC）+D

直接寻址

间接寻址

Ri变址寻址

相对寻址

本模型机选择变址寄存器Ri为寄存器R2。

2.3.输入输出指令

格式如下：

74

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”中的七段LED数码块作为输出设备。

2.4.停机指令

格式如下：

74

32

10

OP-CODE

00

00

停机指令HALT，用于实现停机操作。

2.5.具体编码

序号

汇编指令

机器代码格式

功能说明

1

CLRRd

011100Rd

0→Rd

2

MOVRs,Rd

1000RsRd

Rs→Rd

3

ADCRs,Rd

1001RsRd

Rs+Rd+Cy→Rd

4

SBCRs,Rd

1010RsRd

Rs-Rd-Cy→Rd

5

INCRd

1011xxRd

Rd+1→Rd

6

ANDRs,Rd

1100RsRd

Rs∧Rd→Rd

7

COMRd

1101xxRd

8

LDAM,D,Rd

00M00Rd,D

E→Rd

9

STAM,D,Rd

00M01Rd,D

Rd→E

10

JMPM,D

00M1000,D

E→PC

11

BZCM,D

00M1100,D

当Cy=1或Z=1时，E→PC

12

INRd

010010Rd

输入单元→Rd

13

OUTRd

010110Rd

Rd→输出单元

14

HALT

01100000

停机

3.数据通路

3.1.全局概略图

3.2.单片机写控制

3.3.微程序显示

3.4.指令寄存器

3.5.通用寄存器

3.6.运算器

3.7.内存和程序计数器

3.8.地址总线显示

3.9.手动输入微程序

3.10.单片机写微程序

3.11.控制存储器

3.12.指令译码

3.13.微地址显示

3.14.单片机与数据总线输入

3.15.设计说明

设计

说明

数据总线

模型计算机的数据总线，用于分时传输各种数据。

地址总线

模型计算机的地址总线，用于传输地址寄存器的地址。

微地址总线

微程序控制器的微地址总线，用于分时传输微地址。

微程序数据总线

微程序控制器的微程序数据总线，用于传输微程序数据。

单片机写数据总线

单片机写入模型计算机内存和控制存储器的单片机写数据总线。

运行步骤

1.单片机写内存控制逻辑：

把开关SW1，SW2拨动到下面，START=0

2.启动运行约3秒，等显示数据稳定，表示数据写入完成。

3.单击暂停。

单片机写内存控制逻辑：

把开关SW1，SW2拨动到上面，START=1。

缩小设计图，让指令寄存器，微地址寄存器，输出显示器，地址寄存器显示同时显示。

单击释放暂停按钮，继续运行。

4.观察LED数码管显示器上的数据。

4.时序系统

4.1.时序系统与起停控制

4.2.时序波形图

5.微指令格式

微程序

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

控制信号

S3

S2

S1

S0

M

CN

WE

A9

A8

A字段

B字段

P字段

uA5

Ua4

uA3

uA2

uA1

uA1

A字段

B字段

P字段

14

13

12

控制信号

11

10

9

控制信号

8

7

6

控制信号

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

LDRi

0

0

1

RS_B

0

0

1

P1

0

1

0

LDDR1

0

1

0

RD_B

0

1

0

P2

0

1

1

LDDR2

0

1

1

RI_B

0

1

1

P3

1

0

0

LDIR

1

0

0

1

0

0

P4

1

0

1

LOAD

1

0

1

ALU_B

1

0

1

AR

1

1

0

LDAR

1

1

0

PC_B

1

1

0

LDPC

6.微程序控制器

6.1.原理图

6.2.地址转移逻辑

7.微程序流程图

8.微程序代码表

微地址

S3S2S1S0MCNWEA9A8

A

B

C

UA5…UA0

00

000000011

000

000

100

001000

01

000000011

110

110

110

000010

02

000000001

100

000

001

010000

03

000000001

010

000

000

000100

04

000000001

110

000

010

100000

05

000000001

110

000

000

000110

06

000000001

010

000

000

000111

07

000000001

110

000

010

100000

10

000000011

110

110

110

001010

11

000000011

110

110

110

001100

12

000000001

010

000

000

111011

13

000000011

000

000

000

000001

14

000000000

010

000

000

111100

15

000000001

010

000

000

001110

16

000000011

011

011

000

001111

17

100101011

110

101

000

100101

20

000000011

110

110

110

000011

21

000000011

110

110

110

000101

22

000000011

110

110

110

001101

微地址

S3S2S1S0MCNWEA9A8

A

B

C

UA5…UA0

23

000000011

110

110

110

100110

24

000000000

001

000

000

000001

25

000000010

000

010

000

000001

26

000000011

000

000

000

010110

27

001100011

001

101

000

000001

30

000000011

001

001

000

000001

31

000000011

010

001

000

101010

32

000000011

011

001

000

101100

33

000000011

010

010

000

110010

34

000000011

010

001

000

110011

35

000000011

010

010

000

110110

36

000000011

000

001

000

001000

37

000000011

000

001

000

001000

40

000000001

001

000

000

000001

41

000000101

000

010

000

000001

42

000001011

101

101

000

000001

43

000000011

000

000

011

100100

44

000000011

000

000

000

000001

微地址

S3S2S1S0MCNWEA9A8

A

B

C

UA5…UA0

45

100101011

010

101

010

010000

46

000000001

010

000

000

100111

47

000000011

011

110

000

101000

50

100101011

110

101

000

101001

51

100101011

010

101

010

010000

52

000000011

011

010

000

101011

53

100101011

001

101

000

000001

54

000000011

010

010

000

101101

55

000001011

010

101

000

101110

56

000010011

010

101

000

101111

57

000000011

010

101

000

110000

60

000001011

010

101

000

110001

61

100101011

001

101

000

000001

62

000000011

001

101

000

000001

63

000000011

011

010

000

110110

64

000001011

101

101

000

000001

65

101110011

001

101

000

000001

66

000011011

001

101

000

000001

67

000000011

010

001

000

001000

70

001010011

001

100

000

001000

71

000000011

010

001

000

001000

72

000110011

001

100

000

001000

73

000001110

000

101

000

001000

74

000001101

000

101

000

001001

9.设计体会

这次计算机组成原理课程设计不仅是一个综合复习课堂知识的过程，而且是一次非常好的锻炼实践能力的机会。

以前在学习计算机科学与技术这个专业时，主要是接触软件，忽略了很多硬件方面的知识。

但是，只有综合学习和应用计算机软硬件知识，才能更好和更深层次地理解计算机的工作原理。

在课程设计中发现对学过的一些理论知识的理解还不够深刻，尤其是一些细节方面的知识。

只是知其然，而不知其所以然，缺乏深入的思考，往往只看到了表面。

在课程设计过程中遇到了一些理解不清的知识点。

通过看课本，到图书馆借阅相关资料学习，最后加深了对相关知识点的理解，应用到了课程设计中。

对一些芯片的具体参数和用法不太熟悉，通过上网搜索，学会了使用这些芯片。

通过这次课程设计，我对计算机的组成和工作原理的理解更加深入了。

同时，也锻炼了自己实际分析问题和解决问题的能力，为以后的进一步学习打下了基础。

10.参考文献

《计算机组成原理》，科学出版社，白中英著。

《计算机组成原理与系统结构试验教程》，西安电子科技大学出版社，杨小龙编著。

百度百科中相关芯片资料

11.附录

11.1.单片机写程序

#include"reg51.h"

#defineDELAY_T4 //延时函数单位时间

#definePRO_LONG16 //程序长度

sbitC51_NOT_SW_B=P0^0; //C51单片机写存储器控制逻辑

sbitWUD_CE0=P1^0; //写微程序数据片选信号

sbitWUD_CE1=P1^1;

sbitWUD_CE2=P1^2;

sbitMCS0=P1^3; //控制存储器片选信号

sbitMCS1=P1^4;

sbitMCS2=P1^5;

sbitMOE=P1^6; //控制存储器读选通信号

sbitMWE=P1^7; //控制存储器写选通信号

sbitWRITE_TUA=P2^0; //写微地址转移逻辑选通信号

sbitC51_LDAR=P2^1; //C51写地址寄存器选通信号

sbitWDBUSCE=P2^2; //写数据总线选通信号

sbitC51_CE=P2^3; //C51访问存储器片选信号

sbitC51_OE=P2^4; //C51读存储器选通信号

sbitC51_WE=P2^5; //C51写存储器选通信号

sbitOEUA=P2^6; //C51写微地址选通信号

sbitWEUA=P2^7; //C51锁存微地址信号

/*程序注释

输入R1=16

输出R1=16

内存读取R0=12

输出R0=12

自增R0

输出R0=13

R0+R1->R1=29

输出R1=29

输出R1=29

清零R0=0

输出R0=0

输出R0=0

输出R0=0

停机

*/

charram[16]={ //程序

0x45,//01000101INR1//R1=16

0x59,//01011001OUTR1 //R1=16

0x00,//00000000LADR0//R0=[0x0f]=0x12

0x0f,//data_0=[0x0f]=0x12

0x58,//01011000OUTR0 //R0=0x12

0xb0,//10110000INCR0 //R0=13

0x58,//01011000OUTR0 //R0=13

0x91,//10010001R0+R1->R1//R1=16+13=29

0x59,//01011001OUTR1 //R1=29

0x59,//01011001OUTR1

0x70,//01110000CLRR0 //R0=00

0x58,//01011000OUTR0 //R0=00

0x58,//01011000OUTR0 //R0=00

0x58,//01011000OUTR0 //R0=00

0x60,//01100000STOP

0x12,//data_0=[0x0f]=0x12

};

charcodec2[61]={ //控制存储器高8位

0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

0x01,0x01,0x00,0x01,0x00,0x00,0x01,0x95,

0x01,0x01,0x01,0x01,0x00,0x01,0x01,0x31,

0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,

0x00,0x02,0x05,0x01,0x01,0x95,0x00,0x01,

0x95,0x95,0x01,0x95,0x01,0x05,0x09,0x01,

0x05,0x95,0x01,0x01,0x05,0xb9,0x0d,0x01,

0x29,0x01,0x19,0x07,0x06

};

charcodec1[61]={ //控制存储器中8位

0x81,0xed,0xc0,0xa0,0xe0,0xe0,0xa0,0xe0,

0xed,0xed,0xa0,0x80,0x20,0xa0,0xb6,0xea,

0xed,0xed,0xed,0xed,0x10,0x04,0x80,0x9a,

0x92,0xa2,0xb2,0xa4,0xa2,0xa4,0x82,0x82,

0x90,0x84,0xda,0x80,0x80,0xaa,0xa0,0xbc,

0xea,0xaa,0xb4,0x9a,0xa4,0xaa,0xaa,0xaa,

0xaa,0x9a,0x9a,0xb4,0xda,0x9a,0x9a,0xa2,

0x98,0xa2,0x98,0x0a,0x8a

};

charcodec0[61]={ //控制存储器低8位

0x08,0x82,0x50,0x04,0xa0,0x06,0x07,0xa0,

0x8a,0x8c,0x3b,0x01,0x3c,0x0e,0x0f,0x25,

0x83,0x85,0x8d,0