计算机组成原理课程设计之组成原理课程设计doc 18页.docx
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计算机组成原理课程设计之组成原理课程设计doc18页
武汉理工大学
课程设计
课程名称计算机组成原理
设计题目模型机设计与实现
班级软件工程0804
学号0120810680426
姓名___曹旭磊______
指导教师田小华
日期2011年元月16日
课程设计任务书
学生姓名：
曹旭磊专业班级：
软件0804
指导教师：
田小华工作单位：
计算机学院
题目:
《基本模型机的数据通路逻辑框图设计》
初始条件：
1.完成<<计算机组成原理>>课程教学与实验
2.TDN-CM
计算机组成原理教学实验系统
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点
2.熟悉TDN-CM
教学实验系统的微指令格式
3.设计五条机器指令,并编写对应的微程序
4.在TDN-CM
教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果
5.建立复杂指令系统计算机的整机概念模型
时间安排：
1.第18周周1（元月7日）:
全体集中讲解课程设计原理与方法
2.第19周周1～5（元月10～14日）:
分班实验,调试机器指令程序
指导教师签名：
2011年元月08日
系主任（或责任教师）签名：
2011年元月日
《组成原理课程设计》说明书
一．课程设计题目
①01-12学号的同学：
《基本模型机的运算器逻辑框图设计》
②13-24学号的同学：
《基本模型机的存储器逻辑框图设计》
③25-38学号的同学：
《基本模型机的数据通路逻辑框图设计》
二．课程设计要求
⑴完整说明基本模型机的构建方法和操作过程,包括以下内容:
①基本模型机的实验原理,绘出数据通路框图
②微指令格式,微程序流程图,微指令二进制代码表
③实验步骤
④十六进制格式文件
⑤实验接线图
⑵按照自已的学号,完成《基本模型机的XYZ逻辑框图设计》
⑶在教学实验系统中调试和实现基本模型机
⑷用A4规格的复印纸，撰写设计报告
1课程设计目的：
运用和实践计算机组成原理课程中各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬连线控制器的认识，建立清晰的整机概念。
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,加深对理论课程的理解。
在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机，并且绘制出模型机的数据通路的逻辑框图。
2课程设计设备：
TDN-CM计算机组成原理实验系统,排线若干
3课程设计内容：
3.1课程设计原理
3.1.1本课程设计采用六条机器指令:
IN,ADD,STA,TRY,OUT,JMP,并依照指令进行相关操作。
其指令格式如下：
内容助计符说明
00000000IN“INPUTDEVICE”→R0
00010000ADD[addr]R0+[addr]→R0
00100000STA[addr]R0→[addr]
00110000OUT[addr][addr]→BUS
01000000TRY[addr]R0（S3S2S1S0MCn）[addr]→R0
01010000JMP[addr][addr]→PC
其中IN为单字长（8）位，其余为双字长指令。
3.1.2开关SWA和SWB的定义及数据通路框图如下：
为了向RAM中装入程序和数据，先查写入是否正确，并能启动程序执行，还须设
计三台控制台操作。
存储器度操作：
拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START滚动开关，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SWB、SWA为“01”时，按START滚动开关，可对RAM连续手动写操作。
启动程序：
拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“11”时，按START滚动开关，即可转入到第01好“取址”微指令，启动程序运行。
上述三条控制台指令用到的两个开关SWB、SWA的状态设置，其定义如下：
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）
3.1.3设计用到的微指令的格式定义及微程序流程图如下：
微指令格式定义
3.1.4依照微程序流程图，生成如下指令代码表：
微指令代码表
微地址
S3S2S1S0MCnWEA9A8
A
B
C
μA5～μA0
联机微地址
微指令内容
00Q
000000011
000
000
100
010000
00H
018110H
01Q
000000011
110
110
110
000010
01H
01ED82H
02Q
000000001
100
000
001
001000
02H
00C048H
03Q
000000001
110
000
000
000100
03H
00E004H
04Q
000000001
011
000
000
000101
04H
00B005H
05Q
000000011
010
001
000
000110
05H
01A206H
06Q
100101011
001
101
000
000001
06H
959A01H
07Q
000000001
110
000
000
001101
07H
00E00DH
10Q
000000000
001
000
000
000001
08H
001001H
11Q
000000011
110
110
110
000011
09H
01ED83H
12Q
000000011
110
110
110
000111
0AH
01ED87H
13Q
000000011
110
110
110
001110
0BH
01ED8EH
14Q
000000011
110
110
110
011010
0CH
01ED9AH
15Q
000000011
110
110
110
010110
0DH
01ED96H
16Q
000000001
110
000
000
001111
0EH
00E00FH
17Q
000000001
010
000
000
010101
0FH
00A015H
20Q
000000011
110
110
110
010010
10H
01ED92H
21Q
000000011
110
110
110
010100
11H
01ED94H
22Q
000000001
010
000
100
010111
12H
00A117H
23Q
000000011
000
000
000
000001
13H
018001H
24Q
000000000
010
000
000
011000
14H
002018H
25Q
000001110
000
101
000
000001
15H
070A01H
26Q
000000001
101
000
110
000001
16H
00D181H
27Q
000001110
000
101
000
010000
17H
070A10H
30Q
000001101
000
101
100
010001
18H
068B11H
31Q
000000000
000
000
000
000000
19H
000000H
32Q
000000001
110
000
000
011011
1AH
00E01BH
33Q
000000001
011
000
000
011100
1BH
00B01CH
34Q
000000011
010
001
000
011101
1CH
01A21DH
35Q
000011011
001
101
000
000001
1DH
9D9A05H
36Q
000000101
000
001
000
000001
1EH
028201H
3.1.5机器指令程序设计：
机器指令程序序列
地址内容助计符说明
0000000000000100INR0“INPUTDEVICE（班号4）”→R0
0000000100010000ADD[0AH],R0R0+[0AH]→R0
0000001000001010
0000001100100000STAR0,[0BH]R0→[0BH]
0000010000001011
0000010100110000OUT[0BH][0BH]→LED
0000011000001011
0000011101000000JMP00H00H→PC
0000100000000000
00001001
0000101000100110学号（26号同学）
00001011求和结果（班号加学号）
3.2实验步骤:
3.2.1画出实验接线图如下：
3.2.2实验预备操作步骤：
3.2.2.1按实验接线图接好实验线路
3.2.2.2为微程序控制器编程
A．将编程开关置为PROM（编程）状态。
B．将实验板上的“STATEUNIT”中的“STEP”置位为“STEP”,“STOP”置为“RUN”。
C.用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。
D．在MK24-MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量0亮1灭。
E．启动时序电路，即将微代码写入到EPROM2816的相应地址单元中。
F．重复C-E步骤，将微代码表的内容写入2816。
G．将编程开关设置为READ（校验）状态。
H．将实验板上的“STATEUNIT”中的“STEP”置位为“STEP”,“STOP”置为“RUN”。
I．用二进制模拟开关置好微地址MA5-MA0。
J．按动“START”键，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯MD24-MD1的状态，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为PROM，重新执行编程操作。
3.2.3按如下步骤操作：
3.2.3.1微控器的编程开关拨至RUN,STEP→STEP,STOP→RUN
3.2.3.2将微机与实验箱用串口连接,开机进入WINDOWS2000,进入D:
盘的CM+子目录,运行CMP.EXE,进入实验环境,选用COM1口.
3.2.3.3选F2:
写入机器指令
3.2.3.4选F3:
写微指令
3.2.3.5选F6:
调试机器指令，运行前将CLK开关：
1→0→1
①F1_STEPPM:
单步运行机器指令
②F2_STEPCM:
单步运行微指令
③F3_EXEC:
连续运行微指令
④F8_RETURN:
退出DEBUG
3.2.3.6记录实验结果
实验outputFBH
3.2.3.7对比理论计算结果
与理论值一致
4．课程设计总结
4.1给出每条机器指令的微程序:
IN指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
10Q：
000000000001000000000001
01Q：
000000011110110110000010
ADD指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
11Q：
000000011110110110000011
03Q：
000000001110000000000100
04Q：
000000001011000000000101
05Q：
000000011010001000000110
06Q：
100101011001101000000001
01Q：
000000011110110110000010
STA指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
12Q：
000000011110110110000111
07Q：
000000001110000000001101
15Q：
000000101000001000000001
01Q：
000000011110110110000010
OUT指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
13Q：
000000011110110110001110
16Q：
000000001110000000001111
17Q：
000000001010000000010101
25Q：
000001110000101000000001
01Q：
000000011110110110000010
TRY指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
32Q：
000000001110000000011011
33Q：
000000001011000000011100
34Q：
000000011010001000011101
35Q：
000001111001101000000001
01Q：
000000011110110110000010
JMP指令的微程序
01Q：
000000011110110110000010
02Q：
000000001100000001001000
15Q：
000000011110110110010110
26Q：
000000001101000110000001
01Q：
000000011110110110000010
IN,ADD,STA,TRY,OUT,JMP
IN指令的微程序地址为01Q-02Q-10Q-01Q
ADD指令的微程序地址为01Q-02Q-11Q-03Q-04Q-05Q-06Q-01Q
STA指令的微程序地址为01Q-02Q-12Q-07Q-15Q-01Q
TRY指令的微程序地址为01Q-02Q-14Q-32Q-33Q-34Q-35Q-01Q
OUT指令的微程序地址为01Q-02Q-13Q-16Q-17Q-25Q-01Q
JMP指令的微程序地址为01Q-02Q-15Q-26Q-01Q,
4.2给出TRY指令的理论计算过程:
功能选择
M=1
M=0算术运算
S3S2S1S0
逻辑运算
n=1无进位
n=0有进位
0000
F=
F=A
F=A加1
0001
F=
F=A+B
F=（A+B）加1
0010
F=
B
F=
+
F=（
+
）加1
0011
F=0
F=减1
F=0
0100
F=
F=A加
F=A加
加1
0101
F=
F=（A+B）加
F=（A+B）加
加1
0110
F=A⊕B
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=
F=
减1
F=
1000
F=
+B
F=A加AB
F=A加AB加1
1001
F=
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=（
+
）加AB
F=（
+
）加AB加1
1011
F=AB
F=AB减1
F=AB
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=
+
F=（A+B）加A
F=（A+B）加A加1
1110
F=A+B
F=（
+
）加A
F=（
+
）加A加1
1111
F=A
F=A减1
F=A
机器指令TRY的理论计算过程
①当对应学号为01-16号时；S3S2S1S0=学号-1,MCn=11（逻辑运算）
当对应学号为17-32号时；S3S2S1S0=学号-16-1,MCn=01（算术无进位）
当对应学号为33-40号时；S3S2S1S0=学号-32-1,MCn=00（算术有进位）
②软件0804班,第26号同学,S3S2S1S0=1001,MCn=01,F=（A+B）
∵A=R0=班号+学号=00000100+00100110=00101010，B=班号=00000100
A+B=00101110
∴对于指令TRY[12H],完成逻辑或运算F=00101110B=2EH
③机器指令序列运行一遍后,13H单元的内容为11111011B=2EH
5数据通路逻辑框图的设计
5.1数据通路的总体设计
1.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.数据的通路从程序计数器PC的地址送到主存的地址寄存器，根据地址寄存器的内容找到相应的存储单元。
3.1存储器中的数据是指令时，那么数据是从RAM送到总线，再从总线送到IR中。
3.2存储器中的数据是需要加工的数据时，那么数据是从RAM送到总线，再动总线送到通用寄存器中等待加工。
3.3数据加工过程中，两个数据是从总线上将数据分别分时压入两个暂存器中，等待运算部件的加工，在数据加工完成以后。
运算结果是通过三太门送到总线上。
三态门的控制时由微控制器来控制。
5.2数据通路中涉及原件说明
5.2.1运算器
运算器模块主要由两片74LS181、暂存器两片74LS273等构成。
其中74LS181可通过控制器相应的控制指令来进行某种运算，具体由S0、S1、S2、S3、S4、M来决定。
T4是它的工作脉冲，正跳变有效。
运算器说明
由于运算器处理的数据为2个8位数据，而74LS181芯片是四位逻辑运算芯片，所以运算器中应该有两个74LS181。
其中输入引脚分别为DR1的D0~D7和DR0的D0~D7.输出引脚为8位经过ALU-B（74LS245）然后连接数据总线。
5.2.2程序计数器（PC）及地址寄存器AR
程序计数器由两片74LS161（4位二进制计数器）构成
地址寄存器AR由一片74LS273（8位D触发器）构成
PC-B由一片74LS244（收发器（双向的三态缓冲器））构成
5.2.3微指令寄存器（IR）
当存储器中的数据是指令时，那么数据是从RAM送到总线，再从总线送到IR中。
微指令寄存器（IR）由一片74LS273构成。
其芯片介绍如下
5.2数据通路逻辑框图
6课程设计心得、经验教训及注意事项
通过本次课程设计让我对《计算机组成原理》这一门课程有了更加深刻的认识。
同时此次实验对模型机的设计以及原理有了更加理性的认识，并掌握了一些基本的软硬件设计知识并对其进行了基本的运用。
在模型机的设计中运用了很多知识，也学习了许多设计技巧。
而且巩固了自己Protel99SE软件的使用。
在实验过程中需要自己更加仔细耐心地对待每一个细节，对每一个接线都需要认真对待，不可马虎。
由于在实验前准备了相关的工作，阅读了实验指导书并且在实验中的仔细认真，最后我们在班级里面最先完成实验。
在实验前我发现自己对于实验指导书上的许多知识不是很了解，但是通过课后通过图书馆的资料以及网上的资源了解到了数据通路中许多自己没有掌握的知识。
例如在设计的时候发现ALU标记使用的是74181芯片实现两个四位相加，而实际情况则是两个8位二进制数输入。
因此翻阅了相关资料以及和选题第一组的讨论最后明白了其中的原理（使用2片74181分别处理低四位和高四位），这只是本次试验中学到知识的一个很小一部分。
让我受益最多的是如何阅读相关技术文档以及和同学的讨论交流，最后使用Protel99SE软件完成了本次绘图的工作。
在以后的学习工作中，需要更加加强自己的实际动手能力以及培养自己的耐心。
参考文献
【1】计算机组成原理白中英主编科学出版社
【2】《计算机组成原理》石磊
【3】《计算机组成原理与系统结构试验教程》杨小龙西安电子科技大学出版社
指导教师评语：
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