計算機組成原理課程設計--基本模型機的實現(xiàn)

1、<p>　　計算機組成原理課程設計總結報告</p><p><b>　　學生姓名：</b></p><p>　　系 別：計算機與通信工程學院</p><p>　　專 業(yè)：計算機科學與技術</p><p>　　班 級：09—2班</p><p><b>　　學

2、 號：</b></p><p><b>　　指導教師: </b></p><p>　　時間：2011年12月26日至2011年12月28日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　一、題目：基本模型機的實現(xiàn)</p><p>&l

3、t;b>　　二、實驗準備</b></p><p>　　模型機的結構以及各個部件的輸入輸出以及其他控制信號。</p><p>　　了解該模型機的微指令的格式：包括控制字段對應的控制信號、后續(xù)直接地址字段確 定下一條微指令的方式、P測試字段的修改后續(xù)直接地址字段的規(guī)則</p><p>　　指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的讀寫</p><

4、p><b>　　控制存儲器的讀寫</b></p><p><b>　　三、實驗目的</b></p><p>　　在掌握部件單元電路實驗的基礎上，構造一臺基本模型計算機。</p><p>　　為其定義5條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試掌握整機概念。</p><p><b>　　

5、四、實驗設備</b></p><p>　　1Dais-CMX16+ 計算器組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺。</p><p><b>　　五、實驗內容</b></p><p>　　計算機是在讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令的循環(huán)中完成程序的自動運行。讀取指令是將內存中的指令讀取到指令寄存器IR，同時程序計數(shù)器PC自加操作指向下一條指令；分析指令

6、是將指令的操作碼OP做P1測試，找到解釋該指令執(zhí)行的第一條微指令的入口地址；執(zhí)行指令是從控制存儲器中依次讀取該指令對應的多條微指令向全機各個部件發(fā)送微命令，完成指令要求的動作。實驗模型機沒有指令系統(tǒng)，不能執(zhí)行任何指令。</p><p><b>　　六、實驗綜合</b></p><p>　　在模型機上設計和實現(xiàn)簡單的指令系統(tǒng)，要求如下：</p><p

7、>　　每組實現(xiàn)2條新的不同類型的指令（同類型算一條，例如減法和異或運算都是運算類指令），指令的助記符和編碼自己設定。</p><p>　　設計方案應該包括：指令系統(tǒng)及指令格式、指令對應的程序、指令流程圖、微指令代碼表</p><p>　　利用含有新指令的指令系統(tǒng)編寫簡單的程序，程序甚至可以沒有意義，在模型機上運行。</p><p>　　能夠實現(xiàn)的簡單指令提示如

8、下：</p><p>　　求補指令(NREQ)</p><p><b>　　清零指令(CLR)</b></p><p>　　自增、自減指令(INC，DEC)</p><p>　　交換指令(XCHE)</p><p>　　寄存器間接尋址指令(JJXZ)</p><p>　　相

9、對尋址指令(XDXZ)</p><p>　　暫停指令(STOP)</p><p>　　入棧、出棧指令(PUSH、POP)</p><p>　　左、右移位指令(SHL、SHR)</p><p><b>　　中斷指令(INT)</b></p><p><b>　　計算機組成原理</b&

10、gt;</p><p><b>　　課程設計總結報告</b></p><p><b>　　1　模型機結構</b></p><p>　　Dais-CMX16+硬件組成結構如圖1.1所示。該十六位原理計算機體系結構與原理組成由實驗平臺、開關電源、軟件三大部分組成。實驗平臺上有16位運算源寄存器AX和BX、16位通用寄存器CX和

11、DX、16位運算器ALU、12位地址寄存器AR、12位程序計數(shù)器PC、16位雙向I/O單元、16位主存、16位指令寄存器IR、8位指令譯碼寄存器ID、16位堆棧指示器SP、單級中斷源、11位微程序計數(shù)器uPC，擁有一個35位字長的微控制器和24位字長的組合邏輯控制器，并設置了一組24位字長的二進制模擬開關，系統(tǒng)提供邏輯筆和24個按鍵操作環(huán)境。配有字符式LCD、USB通信口、RS232通信口及外設擴展區(qū)。</p><p

12、>　　圖1.1　系統(tǒng)體系結構圖</p><p>　　注意：本機中的16位寄存器均可以當作2個8位寄存器來使用，高字節(jié)用H命名，低字節(jié)用L命名，AX的高字節(jié)記作AH，低字節(jié)記作AL；CX的高字節(jié)記作CH，低字節(jié)記作CL。16位I/O單元可以作為2個8位I/O單元使用，高字節(jié)記作IOH，低字節(jié)記作IOL。</p><p>　　其硬件組成如下表所示。</p><p>

13、;　　2　微指令結構和名字段含義</p><p>　　微程序控制器的組成結構</p><p>　　（1）控制存儲器CM</p><p>　　控制存儲器用來存放解析指令的微程序，由2片6264和1片6116共三片靜態(tài)存儲器平行組成。它們的地址通路由11位微程序計數(shù)器μPC供給，其尋址范圍為2K(0~7FFh)。實驗模型機對應的40位微指令格式如下，其中操作控制位19位

14、，P測試位5位，后續(xù)直接地址位11位，保留位5位。微指令采用了重疊結構定義，控制存儲器分時輸出24位微控位(操作控制位19位和P測試位5位)和11位后續(xù)直接地址位。</p><p>　　24個微控制位如圖2-10所示：</p><p>　　圖2-10　微指令格式</p><p>　?。?）微程序計數(shù)器μPC</p><p>　　圖2-11所示

15、的微程序計數(shù)器μPC由3片161構成，輸出11微地址驅動控制存儲器，從控存對應單元讀取微指令，微指令的19位操作控制位直接輸出或譯碼輸出各種微命令信號，11位直接后續(xù)地址位和5位P測試位通過微地址轉移邏輯共同決定下一條微指令的微地址。本模型機中微指令的地址可以由后續(xù)直接地址采用鏈式存儲方式確定，也可以由現(xiàn)行微程序計數(shù)器微址加1采用順序存儲方式確定。</p><p>　　圖2-11　微程序控制器原理圖</p&

16、gt;<p><b>　　微程序的執(zhí)行過程</b></p><p>　　圖2-11所標示的字號表示微程序控制的全部工作過程。</p><p>　　1）啟動取指微指令或微程序，根據(jù)程序計數(shù)器PC所提供的指令地址，從指令存儲器中取出所要執(zhí)行的機器指令，送入指令寄存器IR中，并且完成PC+1，指向機器指令的下址單元。</p><p>　

17、　2）根據(jù)ID譯碼器中的指令碼，把微地址轉移邏輯產生的解釋機器指令第一條微指令的微地址打入μPC。</p><p>　　3）從μPC所指定的控制存儲器單元分時輸出微操作控制字段與下續(xù)微地址控制字段。</p><p>　　4）微指令的操作控制字段經譯碼或直接產生一組微命令，控制有關功能部件完成微程序所規(guī)定的微操作。 </p><p>　　5）微指令的直接地址字

18、段和P測試字段及當前的狀態(tài)標記、中斷請求標志送往微地址形成電路，產生下條微指令的地址，進入讀取與執(zhí)行下條微指令。如此循環(huán)，直到一條機器指令的微程序全部執(zhí)行完畢。</p><p><b>　　微指令格式及編碼</b></p><p>　　如圖2-10所示，本系統(tǒng)微指令綜合采用了字段的直接控制法和編碼表示法，把微指令操作控制字段劃分為若干個子字段，每個子字段的所有微命令進

19、行統(tǒng)一編碼。</p><p>　　本控制器微指令字長35位，其中24個微控位分別由P測試字段、源尋址字段、運算控制字段、目的尋址字段及直接控制字段組成； 11位后續(xù)直接地址位M34~M24輸出下一條微指令的十一位的后續(xù)微地址。</p><p><b>　　（1）P測試字段</b></p><p>　　五位P測試位決定是否需要對微指令給出的11位

20、后續(xù)直接地址進行修改以及如何修改來確定下一條微指令在控存的地址。</p><p>　?、費0定義為Ids，微程序結束測試位。微程序的最后一條微指令該位為0，否則為1。</p><p>　?、贛1定義為Icz，進位標志測試位。當Icz為“0”時，利用進位標志CY修改微總線uBUS的11位直接后續(xù)地址最后一位ud0，形成2路分支。</p><p>　?、跰2定義為IR，

21、指令操作碼的測試位，當IR為“0”時，利用8位操作碼OP修改微總線uBUS的11位直接后續(xù)地址的ud8~ud1，形成256路分支。</p><p>　　④M3定義為中斷控位IE，中斷請求測試位。每條指令執(zhí)行末尾進入公操作，通過檢查該位判斷外設是否有中斷請求，如果有中斷請求轉入中斷處理過程；否則轉入取值的微指令從指存取下一條指令執(zhí)行。</p><p>　?、軲4定義為Iu，微指令尋址方式測試

22、位，當Iu為“0”時，以微指令的11位后續(xù)直接地址作為下一條微指令的地址；該方式是微指令的鏈式存儲；當Iu為“1”時，以uPC+1，即當前微指令地址加1作為下一條微指令的地址，該方式是微指令的順序存儲。</p><p><b>　?。?）源編碼字段</b></p><p>　　①M5定義為運算源控位ALU，當ALU=“1”時運算器以AX、BX寄存器為源，若ALU=“0

23、”運算器以當前源編碼的定義為源。</p><p>　　②M6定義為字長控位W，當W=“0”時當前總線寬度為十六位字總線；當W=“1”時當前總線寬度為八位字節(jié)總線。</p><p>　　③M7定義為源奇偶特性控位XP，當XP=“0”時工作寄存器源為偶字節(jié)，；當XP=“1”時工作寄存器源為奇字節(jié)。</p><p>　　④M10~M8分別定義X2、X1、X0，組成源尋址的

24、編碼段；</p><p><b>　　（3）運算字段</b></p><p>　?、費13~M11分別定義S2、S1、S0，組成運算方式選擇字段。</p><p>　?、贛14定義了CN，是運算的最低位有效進位。</p><p>　　③M15定義了M，當M=“0”時，ALU做算數(shù)運算；當M=“1”時，ALU做邏輯運算。&

25、lt;/p><p><b>　?。?）目標編碼字段</b></p><p>　?、費16定義為目的奇偶控位OP，當OP=“0”時為工作寄存器的以偶字節(jié)為操作目標，當OP=“1”時工作寄存器以奇字節(jié)為操作目標。</p><p>　?、贛19~M17分別定義O2、O1、O0，組成目的尋址的編碼段。</p><p><b&g

26、t;　?。?）直接控制字段</b></p><p>　?、費20定義為寄存器與Cache選擇控位R/M，當R/M=“1”時，選擇寄存器組為ALU的工作區(qū)；當R/M=“0”時，選擇Cache為ALU的工作區(qū)，本實驗設備無Cahce，所以該位衡“1”。</p><p>　　②M21定義為主存及指令寄存器IR寫命令MWR，當MWR=“0”、IR=“1”時執(zhí)行主存的寫入操作。當MWR=

27、“0”、IR=“0”時執(zhí)行指令寄存器寫入操作。</p><p>　?、跰22定義為程序計數(shù)器使能控位IP，當IP=“0”時，執(zhí)行PC+1；當IP=“0”、E/M=“0”時執(zhí)行PC地址的裝載。</p><p>　　④M23定義為指存與數(shù)存的地址選擇控位E/M，當E/M=“1”時主存以當前程序指針PC驅動指令地址總線；當E/M=“0”時主存以當前AR驅動數(shù)據(jù)地址總線。</p>&

28、lt;p><b>　?。?）下址段</b></p><p>　　由M34~M24組成μPC~μPC共11位后續(xù)直接地址。</p><p><b>　　指令格式說明</b></p><p>　　定義指令格式以及對應的操作碼</p><p>　　本實驗實現(xiàn)的機器指令為：IN（輸入）、INC（自增）

29、、CLR（清零），其指令格式如下：</p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　指令存儲器000h～002h單元內容依次為：20 40 60 00 01</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器：0100h單元為操作數(shù)（預置）</p><p><b>　　5 指令流程圖</b><

30、/p><p><b>　　001</b></p><p><b>　　600</b></p><p>　　ININCCLR</p><p>　　6406806C0</p><p><b>　　6816C1</b></p><p&

31、gt;<b>　　001</b></p><p><b>　　6C2</b></p><p><b>　　001</b></p><p><b>　　6C3</b></p><p><b>　　6C4</b></p>&

32、lt;p><b>　　6 微指令代碼表</b></p><p>　　根據(jù)微指令流程圖每條微指令的功能寫出微代碼</p><p><b>　　表2 微指令代碼表</b></p><p><b>　　7 心得體會</b></p><p>　　通過此次課程設計，使我更加扎實

33、的掌握了有關計算機組成原理方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。</p><p>　　在課程設計過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在胡老師的指導下，終于游逆而解。在今

34、后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅！</p><p>　　我認為，在這學期的課程設計中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用

35、的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。</p><p>　　回顧起此課程設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦中有甜，可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識