計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)--基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)——不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算指令的實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位：</p><p>　　題 目: 基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)——不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算指令的實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　初始條件：</b>

2、;</p><p>　　理論：學(xué)完“電工電子學(xué)”、“數(shù)字邏輯”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、和“計(jì)算機(jī)組成原理”課程，掌握計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用。</p><p>　　實(shí)踐：計(jì)算機(jī)學(xué)院科學(xué)系實(shí)驗(yàn)中心提供計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)的軟件、硬件平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)中心硬件平臺(tái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）

3、</p><p>　　1、基本模型機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)組成原理課程中的知識(shí)和提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，從而建立清晰完整的整機(jī)概念。</p><p>　　2、根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目的要求，編制實(shí)驗(yàn)所需的程序，上機(jī)測(cè)試并分析所設(shè)計(jì)的程序。</p><p>　　3、課程設(shè)計(jì)的書寫報(bào)告應(yīng)包括：</p><p>　?。?）課程設(shè)計(jì)的題目。&l

4、t;/p><p>　?。?）設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理。</p><p>　　（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求給出模型機(jī)的邏輯框圖。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，并分析指令格式。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)微程序及其實(shí)現(xiàn)的方法（包括微指令格式的設(shè)計(jì)，后續(xù)微地址的產(chǎn)生方法以及微程序入口地址的形成）。</p><p>　?。?）模

5、型機(jī)當(dāng)中時(shí)序的設(shè)計(jì)安排。</p><p>　　（7）設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程。</p><p>　?。?）給出編制的源程序,寫出程序的指令代碼及微程序。</p><p>　?。?）說(shuō)明在使用軟件HKCPT的聯(lián)機(jī)方式與脫機(jī)方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（包括編制程序中與或運(yùn)算指令的時(shí)序分析，累加器A和有關(guān)寄存器、存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)流程）。</p><p>　?。?/p>

6、10）課程設(shè)計(jì)總結(jié)（設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、不足、收獲與體會(huì)）。</p><p><b>　　時(shí)間安排： </b></p><p>　　周一：熟悉相關(guān)資料。 周二：系統(tǒng)分析,設(shè)計(jì)程序。</p><p>　　周三、四：編程并上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試 周五：撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

7、 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)的題目</b></p><p>　　基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)——不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算指令的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2設(shè)計(jì)的目的及

8、設(shè)計(jì)原理 </p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　1分析階段：在掌握已學(xué)的知識(shí)的基礎(chǔ)下，充分運(yùn)用數(shù)字邏輯，匯編語(yǔ)言，以及計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成原理，核心部件的設(shè)計(jì)與構(gòu)成，以及部件間的連接方式，設(shè)計(jì)合理的指令系統(tǒng)， 編制相應(yīng)指令的微指令與微程序，編制一個(gè)不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算的程序。</p>&

9、lt;p>　　2設(shè)計(jì)階段：根據(jù)自己已掌握的微指令的知識(shí)，將分析階段的與或運(yùn)算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的有微指令組成的微程序。</p><p>　　3驗(yàn)證階段：將編寫程序的運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)的是否正確。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)原理：</b></p><p>　　在計(jì)算機(jī)中所有的運(yùn)算都是通過(guò)CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)的，CPU根據(jù)指

10、令的格式分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的功能。而每一個(gè)指令都對(duì)應(yīng)一段由微指令構(gòu)成微程序，而微指令又是由多個(gè)微命令組成，每一個(gè)微命令指示對(duì)應(yīng)的硬件完成相應(yīng)的任務(wù)。通過(guò)這樣的一種聯(lián)系來(lái)組織計(jì)算機(jī)硬件來(lái)完成所要執(zhí)行的指令。本次試驗(yàn)中，模型機(jī)從內(nèi)存中取出指令，分析指令，執(zhí)行指令。在時(shí)序的調(diào)節(jié)與微程序的控制下，完成一條機(jī)器指令，最后通過(guò)機(jī)器指令的逐步完成，從而實(shí)現(xiàn)不帶進(jìn)位的與或運(yùn)算。</p><p><b>　　3模型機(jī)的邏輯

11、框圖</b></p><p>　　運(yùn)算器由2片74L181構(gòu)成8位字長(zhǎng)的ALU單元。2片74LS374作為2個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作為數(shù)據(jù)輸入端，可通過(guò)短8芯扁平電纜，把數(shù)據(jù)輸入端連接到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)輸入鎖存器DR1的EDR1為低電平，并且D1CK有上升沿時(shí)，把來(lái)自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入鎖存器DR1。同樣使EDR2為低電平、D2CK有上升沿時(shí)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)鎖存器

12、DR2。(模型機(jī)的框圖如下圖所示)</p><p>　　4設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)與指令格式</p><p>　　4.1指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)：</p><p>　　此次實(shí)驗(yàn)涉及的指令有以下幾種：</p><p>　　MOV A, #data 將立即數(shù)傳遞到將累加器A中；</p><p>　　ORL A，#data 將累加器

13、A和立即數(shù)相或，結(jié)果送入累加器A中；</p><p>　　MOV RI，#data 將立即數(shù)傳遞到寄存器RI中；</p><p>　　SUB A,RI 將累加器A中的內(nèi)容減去寄存器RI中的內(nèi)容，結(jié)果送入累加器A；</p><p>　　ANL A，#data 將累加器A和立即數(shù)相與，結(jié)果送入累加器A中；</p><p&

14、gt;　　STA addr 將寄存器中內(nèi)容寫入存儲(chǔ)器中；</p><p>　　HALT 停機(jī)指令；</p><p><b>　　指令系統(tǒng)如下表：</b></p><p>　　4.2指令格式分析：</p><p>　　指令一般由地址碼和操作碼組成，如下所示：</p>

15、<p>　　此實(shí)驗(yàn)所涉及指令的格式如下：</p><p>　　MOV指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　ORL邏輯或指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： </p><p>　　ANL邏輯與指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： </p><p>　　STA取數(shù)據(jù)指令，其格式如下：</p><p>　

16、　停機(jī)指令（HALT），其格式如下：</p><p>　　5設(shè)計(jì)微程序及其實(shí)現(xiàn)的方法</p><p>　　5.1微指令格式的設(shè)計(jì):</p><p>　　微指令的一般格式如圖所示：</p><p>　　5.2后續(xù)微指令的產(chǎn)生方法:</p><p>　　由于本系統(tǒng)中指令系統(tǒng)的功能比較簡(jiǎn)單，所以可以采用微指令全水平、不編碼的

17、方式，及每一個(gè)微操作控制信號(hào)由一位微代碼來(lái)表示，24位微代碼可以表示24個(gè)不同的微操作控制信號(hào)。在本系統(tǒng)中，MLD為置微地址的控制信號(hào)，MCK為工作脈沖。當(dāng)MLD=0、MCK有上沿時(shí)，把MD0~MD7的值作為微程序的地址，打入微地址寄存器。當(dāng)MLD=1、MCK有上升沿時(shí)，微地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。</p><p>　　5.3微程序入口地址的形成：</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)采用的

18、是24位微指令，微指令采用全水平不編碼的格式，可產(chǎn)生24個(gè)微操作控制信號(hào)。由于模型機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模較小，功能較簡(jiǎn)單，可由微代碼直接實(shí)現(xiàn)。在模型機(jī)內(nèi)，用指令操作碼的高4位作為核心擴(kuò)展成8位的微程序入口地址MD0-MD7。這種方法稱為“按操作碼散轉(zhuǎn)”（如下表所示）。</p><p><b>　　按操作碼散轉(zhuǎn)</b></p><p>　　6模型機(jī)時(shí)序的設(shè)計(jì)安排</p&g

19、t;<p>　　由于微指令采用全水平不編碼的格式，微程序的入口地址采用操作碼散轉(zhuǎn)方式，所以可確定模型機(jī)中時(shí)序單元中所產(chǎn)生的每一拍的作用。為了更好地觀察實(shí)驗(yàn)的各個(gè)中間過(guò)程中各寄存器的值，由監(jiān)控單元產(chǎn)生一個(gè)PLS-O的信號(hào)來(lái)控制時(shí)序產(chǎn)生。PLS-O信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)序單元的處理產(chǎn)生了4個(gè)脈沖信號(hào)。4個(gè)脈沖信號(hào)組成一個(gè)微周期，為不同的寄存器提供工作脈沖。</p><p>　　PLS0：微地址寄存器的工作脈沖，用來(lái)

20、設(shè)置微程序的首地址及微地址加1。</p><p>　　PLS1：PC計(jì)數(shù)器的工作脈沖，根據(jù)微指令的控制實(shí)現(xiàn)PC計(jì)數(shù)器加1和重置PC計(jì)</p><p>　　器（如跳轉(zhuǎn)指令）等功能。</p><p>　　PLS2：把24位微指令打入3片微指令鎖存器</p><p>　　PLS3：把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入微指令選通的寄存器</p>&l

21、t;p>　　它們的時(shí)序圖如下圖所示：</p><p><b>　　7設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程</b></p><p>　　在每個(gè)系統(tǒng)中，一條指令從內(nèi)存取出到執(zhí)行完畢，需要若干個(gè)機(jī)器周期，任何指令中都必須有一個(gè)機(jī)器周期作為“取指令周期”，稱為公操作周期。而一條指令共需幾個(gè)機(jī)器周期取決于指令在機(jī)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。</p><p>　　對(duì)于微程序控制

22、的計(jì)算機(jī)，在設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程時(shí)，要保證每條微指令所含的微操作的必要性和合理性，還應(yīng)知道總線的IAB，IDB，OAB，ODB僅是傳輸信息的通路，沒有寄存信息的功能，而且必須保證總線傳輸信息時(shí)信息的唯一性。</p><p>　　以下描述取微指令執(zhí)行周期：</p><p>　　在模型機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，模型機(jī)的微地址寄存器被清零，微指令鎖存器輸出無(wú)效。在處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，脈沖PLS1對(duì)微地址寄

23、存器（74LS161）無(wú)效，微地址寄存器保持為零。脈沖PLS2對(duì)PC計(jì)數(shù)器無(wú)效，同時(shí)PLS2把HALT=1打入啟停單元中的運(yùn)行狀態(tài)寄存器（74LS74）中，把模型機(jī)置為運(yùn)行狀態(tài)，使微程序鎖存器輸出有效。PLS3把微程序儲(chǔ)存器00H單元中的內(nèi)容打入指令寄存器中。</p><p>　　在模型機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，脈沖PLS1將微地址寄存器（74LS161）加一，脈沖PLS2將PC計(jì)數(shù)器加1，PLS3把微程序存儲(chǔ)器中

24、的微指令打入微指令鎖存器并且輸出。PLS4把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入當(dāng)前微指令所選通的寄存器。</p><p>　　對(duì)于此次實(shí)驗(yàn)每條指令的執(zhí)行流程如下：</p><p>　　8編制源程序,程序的指令代碼及微程序</p><p><b>　　8.1源程序：</b></p><p>　　MOV A，#25</p>

25、<p>　　ORL A，#35</p><p>　　MOV R0，#10</p><p>　　SUB A,R0</p><p>　　ANL A，#45</p><p><b>　　STA 30</b></p><p><b>　　HALT</b>

26、;</p><p>　　8.2程序的指令代碼:</p><p><b>　　8.3微程序:</b></p><p>　　MOV A，#25 : 0000[4D],[FF],[FF] 取指指令 </p><p>　　0017[DD],[FB],[FF] Dbus→A</p><

27、p>　　ORL A，#35: 0018[4D],[FF],[FF] 取指指令 </p><p>　　0033[FF],[FC],[FE] A→Dbus→DR1</p><p>　　0034[DD],[FF],[7E] RAM→Dbus→DR2</p><p>　　0035[FF],[FB],[BE] ALU→A<

28、/p><p>　　MOV R0，#10: 0036[4D],[FF],[FF] 取指指令</p><p>　　001B[FF],[BD],[FF] RAM→Dbus→RI</p><p>　　SUB A，R0 : 001C[4D],[FF],[FF] 取指指令</p><p>　　0007[FF],[7B],

29、[FF] A→Dbus→DR1</p><p>　　0007[FF],[7B],[FF] RI→Dbus→DR2</p><p>　　0007[FF],[7B],[FF] ALU→Dbus→A</p><p>　　ANL A，#45: 000A[4D],[FF],[FF] 取指指令</p><p>　　0037[FF][FC

30、][FB] A→Dbus→DR1</p><p>　　0038[DD][FF][7B] RAM→Dbus→DR2</p><p>　　0039[FF][FB][BB] ALU→A</p><p>　　STA 30 : 003A[4D][FF][FF] 取指指令</p><p>　　0023[D5][FF][FF]

31、 Dbus→IR2</p><p>　　0024[BB][FD][FF] IR2→Dbus; A→Dbus→RAM</p><p>　　HALT : 003E[4D][FF][FF] 取指指令</p><p>　　0003F[FF][DF][FF] 停機(jī)</p><p>　　9說(shuō)明在使用軟件HKCPT的聯(lián)機(jī)方式與脫機(jī)

32、方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（包括編制程序中與或運(yùn)算指令的時(shí)序分析，累加器A和有關(guān)寄存器、存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)流程）。</p><p>　　9.1編制程序中與或運(yùn)算指令的時(shí)序分析：</p><p>　　將25存入累加器A中的時(shí)序圖</p><p>　　25與35進(jìn)行邏輯或運(yùn)算的時(shí)序圖：</p><p>　　上次運(yùn)算結(jié)果減去10的時(shí)序圖：</p&g

33、t;<p>　　上次運(yùn)算結(jié)果與45進(jìn)行邏輯與運(yùn)算的的時(shí)序圖：</p><p>　　將最終結(jié)果保存到RAM地址的時(shí)序圖：</p><p><b>　　調(diào)試窗口如圖所示：</b></p><p>　　9.2累加器A和有關(guān)寄存器、存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)流程：</p><p>　　MOV A，#25</p

34、><p>　　數(shù)據(jù)流程：RAM->DBUS->A</p><p>　　執(zhí)行后，A中數(shù)據(jù)值為25H，其他寄存器值無(wú)效</p><p>　　ORL A，#35</p><p>　　數(shù)據(jù)流程：A→DBUS→DR1，RAM→DBUS→DR2，ALU→DBUS→A</p><p>　　執(zhí)行后，A中的值為35H，DR1

35、中數(shù)據(jù)值為25H，DR2中數(shù)據(jù)值為35H，</p><p><b>　　其他寄存器值不變</b></p><p>　　MOV R0，#10</p><p>　　數(shù)據(jù)流程：RAM->DBUS->R0 </p><p>　　執(zhí)行后，R0中數(shù)據(jù)值為10H，A中值不變，其他寄存器值無(wú)效</p><

36、;p>　　SUB A, R0</p><p>　　數(shù)據(jù)流程：A->DBUS->DR1，R0->DBUS->DR2，ALU->DBUS->A</p><p>　　執(zhí)行后，A中值為25H，DR1中數(shù)據(jù)值為35H，DR2中數(shù)據(jù)值為10H，</p><p>　　ANL A，#45 </p><p>　

37、　數(shù)據(jù)流程：A->DBUS->DR1，R0->DBUS->DR2，ALU->DBUS->A</p><p>　　執(zhí)行后，A中值為05H，DR1中數(shù)據(jù)值為25H，DR2中數(shù)據(jù)值為45H，</p><p><b>　　其他寄存器值不變</b></p><p><b>　　STA 30</b&g

38、t;</p><p>　　數(shù)據(jù)流程：A->RAM 執(zhí)行后，內(nèi)存地址為30H的單元中值為05H</p><p><b>　　HALT 停機(jī)</b></p><p><b>　　10課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　在此次計(jì)算機(jī)組成原理的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)自己對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語(yǔ)言

39、以及數(shù)字邏輯等課程知識(shí)的掌握與運(yùn)用，在HKCPT軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)幾個(gè)數(shù)的邏輯與或運(yùn)算并成功地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。雖然此次課程設(shè)計(jì)獲得成功，但仍然暴露出自己不少的知識(shí)盲點(diǎn)，比如一條指令對(duì)應(yīng)的多個(gè)微指令，每條微指令又起到的作用以及每條指令的流程周期變化等等，自己以前沒有弄懂的地方。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了自己這方面的不足，加深了自己對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的了解，掌握知識(shí)的運(yùn)用，真是受益匪淺。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)由于

40、本身很簡(jiǎn)單，因此我也沒有設(shè)計(jì)很復(fù)雜的代碼，不過(guò)它依然很清楚地反映了不帶進(jìn)位的邏輯與或的運(yùn)算特點(diǎn)，完全符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，首先，自己更一步熟悉和了解指令、微指令等等相關(guān)的一些基本知識(shí)以及與此次實(shí)驗(yàn)所連接到的其它科目的一些知識(shí)；其次，自己切身體會(huì)到這次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是不同與我們之前所做的一些小實(shí)驗(yàn)，是對(duì)所學(xué)的計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)的一次綜合運(yùn)用；再次，這次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深了我對(duì)此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理解和運(yùn)用，同時(shí)也使我了解到了它的漏洞和缺點(diǎn)；當(dāng)然，

41、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)更使自己明白，要善于運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際操作中，加強(qiáng)自己動(dòng)手動(dòng)腦的能力，加強(qiáng)獨(dú)立思考分析的能力并以此檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)的牢固、扎實(shí)?？偠灾?，在以后的學(xué)習(xí)生活中，自己必需加強(qiáng)自己的動(dòng)手能力以及綜合思考能力。</p><p><b>　　11參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]《計(jì)算機(jī)組成原理》，主編：薛勝軍，出版社：武漢理工大學(xué)出版社，出版或修訂

42、時(shí)間：2003.11 </p><p>　　[2]《計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)》，主編：薛勝軍、談冉，出版社：武漢理工大學(xué)出版社，出版或修訂時(shí)間：2006.10</p><p>　　[3] 《計(jì)算機(jī)組成原理》，主編：薛勝軍，出版社：華中科技大學(xué)出版社，出版或修訂時(shí)間：2005.5</p><p>　　[4] 《計(jì)算機(jī)組成原理》，主編：白中英，出版社：科學(xué)出版社，出