計算機組成原理課程設計---基本模擬機設計與實現(xiàn)

1、<p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　軟件 學院　 軟件+信息工程 專業(yè) 09- 3 　班　　　 </p><p>　　一、課程設計(論文)題目　　基本模擬機設計與實現(xiàn) 　 　</p><p>　　二、課程設計(論文)工

2、作自 2011 年 6 月 20 日起至 2011 年 6 月 24日止。</p><p>　　三、課程設計(論文) 地點: 5#301 </p><p>　　四、課程設計(論文)內容要求：</p><p>　　1．本課程設計的目的</p><p>　　(1) 在

3、掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統(tǒng)構造一臺基本模型計算機。 </p><p>　　(2) 為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調試掌握整機概念。了解計算機組成應用程序編寫。</p><p>　　(3)培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力，提高學生的論文寫作能力。 </p><p>　　2．課程設計的任務及要求</p><p

4、><b>　　1）基本要求：</b></p><p>　　（1）掌握機器指令與微指令的關系。在實驗箱上連線，并實現(xiàn)所寫程序段的功能。自己設計一個不少于五條指令的機器語言程序，其中包括減法指令中斷服務程序。</p><p>　?。?）結合操作系統(tǒng)的基本原理，進行程序設計；</p><p>　?。?）對計算機組成原理有進一步認識和理解。<

5、;/p><p><b>　　2）創(chuàng)新要求： </b></p><p>　　在基本要求達到后，可進行創(chuàng)新設計，如改善算法性能、友好的人機界面等。</p><p>　　3）課程設計論文編寫要求</p><p>　?。?）要按照書稿的規(guī)格打印與寫課程設計論文</p><p>　?。?）論文包括目錄、功能描述

6、、設計思路、具體實現(xiàn)、運行調試與分析討</p><p>　　論、設計體會與小結、參考文獻、附錄（源代碼）等 </p><p>　?。?）課程設計論文裝訂按學校的統(tǒng)一要求完成</p><p>　　4）答辯與評分標準： </p><p>　　（1）考勤與學習態(tài)度：20分； </p><p>　?。?）設計思路：20分；&l

7、t;/p><p>　?。?）代碼實現(xiàn)：20分；</p><p>　?。?）調試與分析：20分；</p><p>　　（5）回答問題：10分；</p><p>　　（6）論文規(guī)范性：10分。</p><p><b>　　5）參考文獻</b></p><p>　　[1] 王愛英.計

8、算機組成與結構（第四版）. 北京;清華大學出版社，2007 </p><p>　　[2] 白中英.計算機組成原理. 北京;清華大學出版社，2002 </p><p>　　6）課程設計進度安排</p><p>　　1．準備階段(2學時):選擇設計題目、了解設計目的要求、查閱相關資料</p><p>　　2．程序模塊設計

9、分析階段（2學時）：程序總體設計、詳細設計</p><p>　　3．代碼編寫調試階段（6學時）：程序模塊代碼編寫、調試、測試</p><p>　　4．撰寫課程設計論文階段（2學時）：總結課程設計任務和設計內容，撰</p><p><b>　　寫課程設計論文</b></p><p>　　學生簽名：

10、 </p><p>　　2011年 6月 25日</p><p>　　課程設計(論文)評審意見</p><p>　　（1）考勤與態(tài)度 （20分）：優(yōu)（?。⒘迹ā。?、中（?。⒁话悖ā。?、差（?。?； </p><p>　?。?）設計思路　?。?0分）：優(yōu)（?。⒘迹ā。⒅校ā。?、一般（?。⒉睿ā。?； </p><p

11、>　　（3）代碼實現(xiàn)　?。?0分）：優(yōu)（　）、良（?。?、中（?。?、一般（?。?、差（?。?；</p><p>　　（4）調試與分析?。?0分）：優(yōu)（　）、良（?。?、中（?。?、一般（?。⒉睿ā。?lt;/p><p>　?。?）回答問題　　（10分）：優(yōu)（?。⒘迹ā。?、中（?。?、一般（　）、差（?。?；</p><p>　?。?）論文規(guī)范性 （10分）：優(yōu)（?。?、良

12、（?。⒅校ā。?、一般（　）、差（　）；</p><p>　　評閱人： 　　　 職稱： 講師 </p><p>　　2011 年6月27日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.緒論- 1 -</p><p>　　1.1課設目

13、的及意義- 1 -</p><p>　　1.2課設內容及要求- 1 -</p><p>　　2.功能描述- 2 -</p><p>　　2.1微程序控制電路- 2 -</p><p>　　2.2微指令格式- 2 -</p><p>　　2.3．控制臺微操作- 3 -</p><p>

14、　　2.4數(shù)據(jù)通路框圖- 4 -</p><p>　　3.設計思路- 5 -</p><p>　　3.1設計思路- 5 -</p><p>　　3.2設計代碼表- 6 -</p><p>　　4.機器指令程序- 7 -</p><p>　　5.線路連接圖- 8 -</p><p>　

15、　6.微程序流程及說明- 9 -</p><p>　　7．運行調試及結果分析- 11 -</p><p>　　方法一：手動寫入- 11 -</p><p>　　方法二：聯(lián)機讀/寫程序- 12 -</p><p>　　8．設計體會及總結- 16 -</p><p>　　9.參考文獻- 17 -</p&g

16、t;<p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1課設目的及意義</p><p>　　在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統(tǒng)構造一臺基本模型計算機。</p><p>　　為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上級調試掌握整機的概念。</p><p>　　掌握微程序計算機

17、中指令和微指令的編碼方法，深入理解機器指令在計算機中的運行過程。</p><p>　　1.2課設內容及要求</p><p>　　設計實現(xiàn)一個簡單的模型機，該模型機由運算器、寄存器、譯碼電路、存儲器、和存儲微指令用的控制存儲器組成。</p><p>　　實現(xiàn)5條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉移）。<

18、/p><p>　　可通過手動寫入或聯(lián)機的方式將機器指令程序和編寫的微指令程序存入主存中，并運行此段程序，觀察該段程序的運行，驗證編寫的指令和微指令的執(zhí)行情況是否符合設計要求，并對程序運行結果的正、誤分析其原因。</p><p>　　要求學生動手操作實驗設備，掌握微程序設計思想和設計方法。</p><p><b>　　2.功能描述</b></p

19、><p>　　2.1微程序控制電路</p><p>　　若采用手動寫入方式實現(xiàn)基本模型機功能，則應先微代碼手動寫入控存2816中?？卮娌捎?片ROM，微指令寄存器18位，用兩片8D觸發(fā)器和一片4D觸發(fā)器組成。微地址寄存器6位，用三片正沿觸發(fā)的雙D觸發(fā)器組成。在不判別的情況下，T2時刻打入微地址寄存器的內容即為下一條微指令地址。當T4時刻進行判別時，轉移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一

20、觸發(fā)器置為“1”完成地址修改。</p><p>　　實驗電路有一個編程開關，具有三種狀態(tài)：PROM（編程）、READ（校驗）、RUN（運行）。當處于“編程狀態(tài)”時，可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入控存2816中；當處于“校驗狀態(tài)”時，可以對寫入控存的二進制代碼進行驗證；當處于“運行狀態(tài)”時，只要給出微程序的入口地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。</p><p><

21、;b>　　2.2微指令格式</b></p><p>　　微指令長24位，其控制位順序如下：</p><p>　　圖2.1微代碼定義示意圖</p><p>　　前面9位為直接控制字段，直接與相應的控制門連接。后面UA5-UA0為6位的后續(xù)微地址，即跳轉地址。而中間的A、B、C三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。其含義如下:</p>

22、<p>　　圖2.2控制位含義示意圖</p><p>　　C字段中的P（1）-P（4）是四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實驗微程序的順序、分支、循環(huán)運行。</p><p>　　B字段中的RD-B、R0-B、RI-B分別為原寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來警醒三個工作寄存器R0

23、、R1及R2的選通譯碼。</p><p>　　指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到緩沖寄存器，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制構成，為了執(zhí)行任何一條給定的指令，必須對操作碼進行測試P(1)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”根據(jù)指令的操作碼進行譯碼，強置微控制單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序。</p&g

24、t;<p>　　2.3．控制臺微操作</p><p>　　本實驗采用五條機器指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉移）。其中IN為單字長，其余為雙字長指令。</p><p>　　為了向RAM寫入、讀出機器指令，并能啟動程序執(zhí)行，還須設計三個控制臺操作微程序。</p><p>　　存儲器讀（KRD）：撥

25、動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA為“0 0”時，按START微動開關，可對RAM連續(xù)手動讀操作。</p><p>　　存儲器寫（KWE）：撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA為“0 1”時，按START微動開關，可對RAM連續(xù)手動寫操作。</p><p>　　啟動程序（RP）：撥動總清開關CLR后，控制臺開關SWB、SWA為“1 1”時，按START微動開關，即可轉入

26、到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。</p><p>　　上述三條控制臺指令用兩個開關SWB、SWA的狀態(tài)來設置，其定義如下： </p><p>　　圖2.3控制臺指令定義示意圖</p><p><b>　　2.4數(shù)據(jù)通路框圖</b></p><p><b>　　3.設計思路 </b>

27、;</p><p><b>　　3.1設計思路</b></p><p>　　計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內存中取出提條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成。即一條機器指令對應一個微程序。</p><p>　　本系統(tǒng)有兩種外部I/O設備，一種是二進制數(shù)碼開關，作為輸入設備（INPUT）；另一種是

28、兩位十六進制數(shù)LED數(shù)碼管，作為輸出設備（OUTPUT UNIT）。在輸入時，二進制開關數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上。只要開關狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當寫信號（WE）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅動數(shù)碼塊顯示。</p><p><b>　　3.2設計代碼表</b></p><p>　　表3.1 二進制微代碼表</p>

29、<p><b>　　4.機器指令程序</b></p><p>　　本程序從輸入設備（數(shù)碼開關）讀入數(shù)據(jù)，與0A單元的數(shù)據(jù)相加，然后送到輸出設備（LED數(shù)碼管）進行顯示。本程序不斷地循環(huán)運行，在運行中可改變輸入開關（INPUT）的值，觀察輸出顯示的變化。本實驗設計機器指令程序如下：</p><p>　　地 址（二進制） 內 容（二進制） 助記符

30、 說 明</p><p>　　0000 0000 0000 0000 IN “INPUT DEVICE” 0000 0001 0001 0000 ADD [0AH] R0+[02H] →R0</p><p>　　0000 0010 0000 1010</p><p>　　0000 0011

31、 0010 0000 STA [0BH] R0→[03H]</p><p>　　0000 0100 0000 1011</p><p>　　0000 0101 0011 0000 OUT [0BH] [03H] →BUS</p><p>　　0000 0110 0000 1011</p>

32、<p>　　0000 0111 0100 0000 JMP [00H] 00H→PC</p><p>　　0000 1000 0000 0000</p><p>　　0000 1001</p><p>　　0000 1010 0000 0001 自定加數(shù)01H</

33、p><p>　　11 結果保存在0B單元</p><p><b>　　5.線路連接圖</b></p><p>　　圖5.1 實驗連接圖</p><p>　　6.微程序流程及說明</p><p>　　當擬定“取址”微指令時，該微指令的判別測試字段為

34、P（1）測試。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）測試結果出現(xiàn)多路分支。本次課程設計使用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元。</p><p>　　6.1 微程序流程圖</p><p>　　控制臺操作為P（4）測試，它以控制臺開關SWB，SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固

35、定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用一個微地址單元隨意填寫。</p><p>　　當輸入0000 0000（00）微地址的時候，就從控制臺入口開始了流程，對應二進制代碼表，微地址0 0的下一條微指令地址即為010000，對應的是20，也就走到了控制臺的第二步P（4），當前正在執(zhí)行的微指令從控制</p><p>　　當做完判斷后，就沿著那條分支繼續(xù)走，存儲器取出后放在微指令寄存器中，該寄

36、存器的各個控制位的輸出直接連到各個控制門上。</p><p>　　進入到跳轉地址圖示如下：</p><p>　　圖6.2控制臺流程圖</p><p>　　7．運行調試及結果分析</p><p><b>　　方法一：手動寫入</b></p><p><b>　　1）手動寫入程序</b

37、></p><p>　　1.先將機器指令對應的微代碼正確的寫入2816中。</p><p>　　2.使用控制臺KWE和KRD微程序進行機器指令程序的裝入和檢查。</p><p>　　A．使編程開關處于“RUN”,STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B．撥動總清開關CLR（0→1），微地址寄存器清零

38、，程序計數(shù)器清零。然后使控制臺SWB、SWA開關置為“01”，按動一次啟動開關START，微地址顯示指示燈顯示“010001”，再按動一次START，微地址燈顯示“010100”，此時數(shù)據(jù)開關的內容置為要寫入的機器指令，按動兩次START鍵后，完成該條指令的寫入。</p><p>　　C．寫完程序后須進行檢驗。撥動總清開關CLR（0→1）后，微地址清零。PC程序計數(shù)器清零，然后使控制臺開關SWB、SWA為“00”

39、，按動啟動START，微地址燈將顯示“010000”，再按START，微地址燈顯示為“010010”，第三次按START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內容。不斷按動START，以后每個循環(huán)PC會自動加1，可檢查后續(xù)單元內容。</p><p><b>　　2）手動運行程序</b></p><p><b&g

40、t;　　1.單步運行程序：</b></p><p>　　A．使編程開關處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。SWITCH單元的開關SWB、SWA為“11”。</p><p>　　B．撥動總清開關CLR（0－>1），微地址清零，程序計數(shù)器清零。程序首址為00H。</p><p>　　C．單步運行一條微指令，每按動一

41、次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微指令流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　　D．單步運行結束后，檢查存數(shù)單元(0BH)中的結果是否和理論值一致。</p><p><b>　　2.連續(xù)運行程序：</b></p><p>　　使“STATE UNIT”中的STEP開關置為“ECEX”狀態(tài)。STOP開關置為“RUN”

42、狀態(tài)，SWITCH單元的開關SWB、SWA為“11”。</p><p>　　撥動CLR開關，清微地址及程序計數(shù)器，然后撥動START,系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。</p><p>　　停機后，檢查存數(shù)單元（0BH）結果是否正確。</p><p><b>　　3）結果分析</b></p><p

43、>　　本實驗求的結果為03H，根據(jù)實驗原理從INPUT DEVICE中輸入數(shù)據(jù)02Ｈ給R0，取出01H,然后把這兩個數(shù)進行相加，得到的結果為03H．與理論上02H+01H=03H與實驗結果一致</p><p>　　方法二：聯(lián)機讀/寫程序</p><p><b>　　聯(lián)機寫入程序</b></p><p>　　按照規(guī)定格式，將機器指令及表2－

44、2微指令二進制表成十六進制的如下格式文件。</p><p>　　程 序 機器指令格式說明：</p><p>　　$ P0000 $ X X X X</p><p>　　$ P0110 機器指令代碼</p>

45、<p>　　$ P0202 十六進制地址</p><p>　　$ P0320 </p><p>　　$ P040B 微指令格式說明：</p><p>　　$ P0530 $ M X X X

46、X X X X X</p><p>　　$P060B 微指令代碼</p><p>　　$P0740 十六進制地址</p><p>　　$ P0800 注意：因系統(tǒng)文件格式要求，微指令格文件和</p><

47、p>　　$ P0201 控制存儲器的微指令代碼的第一字節(jié)（前8位）</p><p>　　$ M00108101 與第三字節(jié)（后8位）對換一下。</p><p>　　$ M0182ED01 </p><p>　　$ M0248C000</p><p>　　$ M0304E000</p>&l

48、t;p>　　$ M0505B000</p><p>　　$ M0506A201</p><p>　　$ M06019A95 </p><p>　　$ M070DE000</p><p>　　$ M08011000</p><p>　　$ M0983ED01</p>&

49、lt;p>　　$ M0A87ED01</p><p>　　$ M0B8EED01</p><p>　　$ M0C96ED01</p><p>　　$ M0D018202</p><p>　　$ M0E0FE000</p><p>　　$ M0F15A000</p><p>　　$ M109

50、2ED01</p><p>　　$ M1194ED01</p><p>　　$ M1217A000</p><p>　　$ M13018001</p><p>　　$ M14182000</p><p>　　$ M15010A07</p><p>　　$ M1681D100</p>

51、<p>　　$ M17100A07</p><p>　　$ M18118A06</p><p><b>　　運行程序</b></p><p>　?。?）將02送到R0寄存器中</p><p>　?。?）將[0AH]所指向的數(shù)據(jù)01傳到數(shù)據(jù)寄存器DR2中</p><p>　?。?）將DR

52、1與DR2中的數(shù)據(jù)相加，將結果03傳到R0寄存器</p><p>　?。?）將R0中數(shù)據(jù)03傳送到[0BH]這個地址所指向的單元中</p><p>　?。?）將地址[0BH]所指向的數(shù)據(jù)03輸出</p><p><b>　　8．設計體會及總結</b></p><p>　　8.1實驗中出現(xiàn)的問題</p>&l

53、t;p><b>　?。?）原理不清</b></p><p>　　當按照實驗接線圖接完全部的實驗線路的時候才發(fā)現(xiàn)原來如果采用手動方式寫入指令程序，則必須先將微代碼寫入到控存中。于是小組成員又重新接線，將微代碼寫入2816中。</p><p>　?。?）基礎知識不牢固</p><p>　　在寫入控存微代碼時，由于意外突然斷電，于是重新將微代碼

54、寫入控存。在寫到一半代碼的時候，才想起控存使用的是ROM芯片，斷電后可以保存數(shù)據(jù)，但已經(jīng)浪費大量的時間。</p><p>　　在進行寫內存的時候，小組成員針對是否應該先將數(shù)據(jù)寫入到DDR1或者是RAM芯片中再進行本實驗產(chǎn)生了分歧。最終，仔細分析實驗原理，一致認為不需要先寫入到RAM或寄存器中，在本實驗的寫內存過程中即可實現(xiàn)。</p><p>　?。?）實施方法不科學</p>

55、<p>　　在實驗開始后發(fā)現(xiàn)沒有寫控存，決定采用聯(lián)機讀/寫程序的方式完成實驗，可是發(fā)現(xiàn)原來本小組的實驗箱連計算機的插頭是壞掉的。換了一個實驗箱后又發(fā)現(xiàn)無法連接計算機。</p><p>　　在寫控存時，將24個二進制微代碼全部寫入到控存后驗證居然發(fā)現(xiàn)原來并沒有按地址存入進去，于是又重寫將這么多微代碼到控存中。</p><p><b>　　8.2體會及總結</b>

56、;</p><p>　　通過本次實驗，不但了解了基本模型機的原理而且很好的鞏固了課本上的知識，同時還通過本次實驗積累了計算機硬件實驗的經(jīng)驗和方法，主要有：在實驗開始的第一步必須要檢查實驗設備是否完好，避免出現(xiàn)連好了線路才發(fā)現(xiàn)設備問題無法完成實驗的情況；在實驗開始前一定要做好預習工作，了解大概的實驗原理同時進行思考提出問題，在實驗的過程中邊驗證原理邊解決問題；邊做實驗邊驗證數(shù)據(jù)的正確性，避免重復返工；小組成員一定要

57、分工明確，提高效率，避免所有人都做一件事情而浪費時間。</p><p>　　總之，本次實驗既鞏固了知識，又積累了經(jīng)驗，加深對計算機科學的興趣。也為今后的學習打下了良好的基礎。</p><p><b>　　9.參考文獻</b></p><p>　　[1] 王愛英.計算機組成與結構（第四版）. 北京;清華大學出版社，2007</p>