計算機組成原理課程設計---基本模型機設計與實現(xiàn)

1、<p>　　課程設計(論文)任務書</p><p>　　軟件 　學　　院　　 軟件工程 ?！　I(yè) 一 班</p><p>　　一、課程設計(論文)題目　　基本模型機設計與實現(xiàn) 　　</p><p>　　二、課程設計(論文)工作自 2011 年 6 月 2

2、0 日起至 2011 年 6 月 24 日止。</p><p>　　三、課程設計(論文) 地點: 計算機組成原理實驗室（5#301） </p><p>　　四、課程設計(論文)內(nèi)容要求：</p><p><b>　　1．課程設計的目的</b></p><p>　　通過課程設計的

3、綜合訓練，在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步掌握整機</p><p>　　概念。培養(yǎng)學生實際分析問題、解決問題和動手能力，最終目標是想通過課程設計的</p><p>　　形式，幫助學生系統(tǒng)掌握該門課程的主要內(nèi)容，更好地完成教學任務。</p><p>　　2．課程設計的任務及要求</p><p><b>　　1）基本要求<

4、/b></p><p>　?。?）課程設計前必須根據(jù)課程設計題目認真查閱資料； </p><p>　?。?）實驗前準備好實驗程序及調(diào)試時所需的輸入數(shù)據(jù)；</p><p>　　（3）實驗獨立認真完成；</p><p>　?。?）對實驗結(jié)果認真記錄，并進行總結(jié)和討論。</p><p>　　2）課程設計論文編寫要求&l

5、t;/p><p>　?。?）按照書稿的規(guī)格撰寫打印課設論文</p><p>　?。?）論文包括目錄、緒論、正文、小結(jié)、參考文獻、附錄等</p><p>　?。?）正文中要有問題描述、實驗原理、設計思路、實驗步驟、調(diào)試過程與遇到問</p><p>　　題的解決方法、總結(jié)和討論等</p><p>　?。?）課設論文裝訂按學校的

6、統(tǒng)一要求完成</p><p><b>　　3）課設考核</b></p><p>　　從以下幾方面來考查：</p><p>　?。?）出勤情況和課設態(tài)度； </p><p><b>　?。?）設計思路；</b></p><p><b>　?。?）代碼實現(xiàn)； </

7、b></p><p>　　（4）動手調(diào)試能力；</p><p>　?。?）論文的層次性、條理性、格式的規(guī)范性。 </p><p><b>　　4）參考文獻</b></p><p>　　[1] 王愛英. 計算機組成與結(jié)構(gòu)[M]. 北京：清華大學出版社, 2007.</p><p>　　[2]

8、王愛英. 計算機組成與結(jié)構(gòu)習題詳解與實驗指導[M]. 北京：清華大學出版社, </p><p><b>　　2007. </b></p><p>　　5）課程設計進度安排</p><p>　　內(nèi)容 天數(shù)　　　　　　地點</p><p>　　構(gòu)思及收集資料 1　　　　　

9、　　圖書館</p><p>　　實驗與調(diào)試 3　　　　　　　實驗室</p><p>　　撰寫論文 1　　　　　　　圖書館</p><p><b>　　6）任務及具體要求</b></p><p>　　設計實現(xiàn)一個簡單的模型機，該模型機包含若干條簡單的計算機指令，其中

10、至少包括輸入、輸出指令，存儲器讀寫指令，寄存器訪問指令，運算指令，程序控制指令。學生須根據(jù)要求自行設計出這些機器指令對應的微指令代碼，并將其存放于控制存儲器，并利用機器指令設計一段簡單機器指令程序。將實驗設備通過串口連接計算機，通過聯(lián)機軟件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，通過聯(lián)機軟件顯示和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</p><p>　　合設計要求，并對程

11、序運行結(jié)果的正、誤分析其原因。</p><p>　　學生簽名： </p><p>　　2011年 6月 20 日</p><p>　　課程設計(論文)評審意見</p><p>　?。?）設計思路 ：優(yōu)（?。?、良（?。⒅校ā。?、一般（?。⒉睿ā。?</p><p>　?。?）代碼

12、實現(xiàn) ?。簝?yōu)（?。?、良（?。?、中（?。?、一般（　）、差（?。?； </p><p>　　（3）完成調(diào)試能力評價　?。簝?yōu)（?。?、良（?。⒅校ā。⒁话悖ā。?、差（　）；</p><p>　?。?）論文格式規(guī)范性評價 ：優(yōu)（　）、良（?。?、中（　）、一般（　）、差（　）；</p><p>　?。?）考勤和態(tài)度 ：優(yōu)（　）、良（　）、

13、中（?。?、一般（?。⒉睿ā。?；</p><p>　　評閱人： 　 職稱： 講師 </p><p>　　2011 年 6 月 28 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>

14、;　　1.1 課設的目的1</p><p>　　1.2 課設的意義1</p><p>　　1.3 課設的內(nèi)容1</p><p><b>　　2 問題描述2</b></p><p><b>　　3 實驗原理2</b></p><p><b>　　4 設計思路

15、4</b></p><p>　　4.1 二進制微代碼表設計4</p><p>　　4.2機器指令程序5</p><p>　　4.3 線路連接圖5</p><p>　　4.4 微程序流程及說明6</p><p><b>　　5 實驗步驟7</b></p><

16、;p>　　6 調(diào)試過程及分析9</p><p><b>　　7 心得體會11</b></p><p><b>　　8 參考文獻12</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課設的目的</b>&l

17、t;/p><p>　　(1)在掌握各個部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺基本模型計算機;</p><p>　　(2)鍛煉動手操作能力，能夠按照實驗的接線圖正確連接實驗線路;</p><p>　　(3)為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，學會聯(lián)機軟件的使用，具體上機調(diào)試掌握整機概念，在掌握以上的基礎(chǔ)之后，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺基本模型計算機。&

18、lt;/p><p><b>　　1.2 課設的意義</b></p><p>　　(1)進一步了解基本模型機原理和微程序的編輯、寫入方法,提高同學們的動手能力;</p><p>　　(2)在課程設計中自己思考解決遇到的問題，在實踐中加深對理論知識的理解，深化和鞏固同學們的知識結(jié)構(gòu)；</p><p>　　(3)實驗操作中通過組員

19、之間緊密配合工作，強化同學們的團隊協(xié)作精神。</p><p><b>　　1.3 課設的內(nèi)容</b></p><p>　　(1)根據(jù)實驗接線圖完成實驗線路。</p><p>　　(2) 定義機器指令，并編寫相應的微程序，寫入文件。</p><p>　　(3) 用手動寫入方法讀寫程序，通過波動開關(guān)及發(fā)光二極管以二進制數(shù)碼形

20、式進行編程、顯示、調(diào)試。</p><p>　　(4) 安裝聯(lián)機軟件，用聯(lián)機軟件的方法讀寫程序。即是通過RS-232C通訊接口與PC微機聯(lián)機，在PC機上進行編程、傳送、裝載程序、動態(tài)調(diào)試和運行等控制操作。</p><p><b>　　2 問題描述</b></p><p>　　(1)如何寫入機器指令對應的微代碼？</p><p&

21、gt;　　(2)如何將編輯好的程序裝入實驗系統(tǒng)，并對其進行調(diào)試？</p><p>　　(3)如何安裝和使用聯(lián)機軟件及觀察調(diào)試過程中的動態(tài)顯示數(shù)據(jù)流向及數(shù)據(jù)、地址、控制總線的各種信息？</p><p><b>　　3 實驗原理</b></p><p>　　部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實驗將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各

22、部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，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(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)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(zhuǎn)移）。其中IN為單字長，其余為雙字長指令。</p><p&g

23、t;　　為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設計三個控制臺操作微程序。</p><p>　　存儲器讀操作（KRD）：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“00”時，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。</p><p>　　存儲器寫操作（KWE）：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“01”時，按START微動開關(guān)，可對

24、RAM進行連續(xù)手動寫入。</p><p>　　啟動程序：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“11”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第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(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設置，其定義如下：</p><p>　　微代碼定義如下表所示：</p><p>　　

25、A字段 B字段 C字段</p><p><b>　　表4-1</b></p><p>　　根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通路框圖如下：</p><p><b>　　4 設計思路</b></p><p>　　4.1 二進制微代碼表設計

26、</p><p>　　當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，下表即為將微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。</p><p>　　表4-2 二進制代碼表</p><p><b>　　4.2機器指令程序</b></p><p>　　本實驗設計機器指令程序如下：</p><p&g

27、t;　　地 址（二進制） 內(nèi) 容（二進制） 助記符 說 明</p><p>　　0000 0000 0000 0000 IN “INPUT DEVICE”→R0</p><p>　　0000 0001 0001 0000 ADD [0AH] R0+[0AH] →R0</p>

28、<p>　　0000 0010 0000 1010</p><p>　　0000 0011 0010 0000 STA [0BH] R0→[0BH]</p><p>　　0000 0100 0000 1011</p><p>　　0000 0101 0011 0000

29、 OUT [0BH] [0BH] →BUS</p><p>　　0000 0110 0000 1011</p><p>　　0000 0111 0100 0000 JMP [00H] 00H→PC</p><p>　　0000 1000 0000 0000</p>

30、<p>　　0000 1001</p><p>　　0000 1010 0000 0001 自定</p><p>　　0000 1011 求和結(jié)果</p><p><b>　　4.3 線路連接圖&l

31、t;/b></p><p>　　圖4-1 實驗接線圖</p><p>　　4.4 微程序流程及說明</p><p>　　系統(tǒng)涉及到的微程序流程見圖4-2，當擬定“取址”微指令時，該微指令的判別測試字段為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）的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作為測試條件，出現(xiàn)

32、5路分支，占用5個固定微地址單元。</p><p>　　控制臺操作為P（4）測試，它以控制臺開關(guān)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定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用一個微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地址為8進制。</p><p>　　運行微程序

33、 控制臺</p><p>　　01 00 八進制微地址</p><p>　　02 20 (SWB SWA)</p><p>　　KWE(01) KRD(00) RP(11)</p

34、><p>　　10 </p><p>　　21 20 23</p><p>　　IN ADD STA OUT JMP</p><p>　　10

35、 11 12 13 14 24 22 </p><p><b>　　01</b></p><p>　　∽ 03 07 16 26

36、 30 27</p><p>　　01 </p><p>　　04 15 17 ∽</p><p&g

37、t;<b>　　01</b></p><p>　　05 ∽ 25</p><p>　　01 </p><p>　　06 ∽</p><p><b>　　01</b></p><p

38、><b>　　∽</b></p><p><b>　　01</b></p><p>　　圖4-2 微程序流程圖</p><p><b>　　5 實驗步驟</b></p><p>　　(1)按圖4-1連接實驗線路。</p><p><b>

39、　　(2)寫程序</b></p><p><b>　　方法一：手動寫入</b></p><p>　　先將機器指令對應的微代碼正確地寫入2816中，由于在實驗（三）微程序控制實驗中已將微代碼寫入E²PROM芯片中，對照表4-2校驗正確后就可使用。</p><p>　　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

40、。</p><p>　　A．使編程開關(guān)處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B．撥動總清開關(guān)CLR（0→1），微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使控制臺SWB、SWA開關(guān)置為“0 1”。按動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動一次START，微地址燈顯示“010100”，此時數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機器

41、指令，按動一次START鍵，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址只要第一次給入即可，PC會自動加1，所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示“010100”時，才設置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。</p><p>　　C．寫完程序后須進行檢驗。撥動總清開關(guān)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(guān)SWB、SWA為“0 0”，按動啟動START，微地

42、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”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內(nèi)容。不斷按動START，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容，注意：每次僅在微地址燈顯示為“010111”時，顯示燈的內(nèi)容才是相應地址中的機器指令內(nèi)容。</p><p>　　方法二：聯(lián)機讀/寫程序</p><p>　　按照規(guī)定格式，將機器指令及

43、表4-2微指令二進制表編輯成十六進制的如下格式文件。</p><p><b>　　程 序 </b></p><p><b>　　$ P0110</b></p><p><b>　　$ P020A</b></p><p><b>　　$ P0320</b>

44、</p><p><b>　　$ P040B</b></p><p><b>　　$ P0530</b></p><p><b>　　$ P060B</b></p><p><b>　　$ P0740</b></p><p><

45、;b>　　$ P0800</b></p><p><b>　　$ P0A01</b></p><p>　　$ M00108101</p><p>　　$ M0182ED01</p><p>　　$ M0248C000</p><p>　　$ M0304E000</p>

46、<p>　　$ M0505B000</p><p>　　$ M0506A201</p><p>　　$ M06019A95</p><p>　　$ M070DE000</p><p>　　$ M08011000</p><p>　　$ M0983ED01</p><p>　　$ M

47、0A87ED01</p><p>　　$ M0B8EED01</p><p>　　$ M0C96ED01</p><p>　　$ M0D018202</p><p>　　$ M0E0FE000</p><p>　　$ M0F15A000</p><p>　　$ M1092ED01</p&g

48、t;<p>　　$ M1194ED01</p><p>　　$ M1217A000</p><p>　　$ M13018001</p><p>　　$ M14182000</p><p>　　$ M15010A07</p><p>　　$ M1681D100</p><p>　　$

49、 M17100A07</p><p>　　$ M18118A06</p><p>　　用聯(lián)機軟件的傳送功能（F4）將改格式文件傳入實驗系統(tǒng)即可。</p><p><b>　　(3)運行程序</b></p><p><b>　?、賳尾竭\行程序</b></p><p>　　A．使

50、編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B．撥動總清開關(guān)CLR（0→1），微地址清零，PC計數(shù)器清零，程序首地址為00H。</p><p>　　C．單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。</p><p>　　D．當運行結(jié)束后，

51、可檢查存數(shù)單元（0B）中的結(jié)果是否和理論值一致。</p><p><b>　　②連續(xù)運行程序</b></p><p>　　A．使“STATE UNIT”中的STEP開關(guān)置于“EXEC”狀態(tài)，STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。</p><p>　　B．撥動CLR開關(guān)，清微地址及PC計數(shù)器，按動START，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥至“STO

52、P”時，系統(tǒng)停機。</p><p>　　C．停機后，可檢查存數(shù)單元（0B）結(jié)果是否正確。</p><p>　　③若聯(lián)機運行程序時，進入DEBUG調(diào)試界面，總清開關(guān)CLR（0→１）清零后，程序首地址為００Ｈ ，按相應功能鍵即可聯(lián)機運行、調(diào)試程序。</p><p><b>　　6 調(diào)試過程及分析</b></p><p>　　

53、(1)使用方法二寫程序時，打開電源，運行聯(lián)機軟件的CMP.EXE，根據(jù)所使用的PC微機串口選擇鍵入1或2，測試通過后，進入主菜單，如下圖：</p><p>　　進入主菜單后，用傳送文件功能（F4_Load）將該格式文件傳入實驗系統(tǒng)。此功能鍵可完成對程序存儲器及控制存儲器的寫入。按下“F4”，系統(tǒng)提示輸入需裝入的文件名，輸入后回車，系統(tǒng)開始裝入程序，成功后，屏幕顯示“裝入完成”。</p><p&

54、gt;　　裝入的文件必須在當前路徑，文件格式應符合全屏幕編輯的規(guī)定。若文件不在當前路徑，拷貝至當前目錄即可。</p><p>　　(2)聯(lián)機運行時，按下“F6”可進入調(diào)試界面進入DEBUG調(diào)試界面。執(zhí)行完一條指令后，計算機會根據(jù)指令的執(zhí)行過程在屏幕上畫出數(shù)據(jù)流圖，有效的控制信號用高亮顯示，并將下一條微指令顯示在屏幕下方，可以直接地觀察到指令的執(zhí)行過程。</p><p>　　F1_Step：

55、單步執(zhí)行機器指令。一條機器指令對應一段微程序，每執(zhí)行一條微指令，計算機同時顯示數(shù)據(jù)流圖，執(zhí)行完整條機器指令后停機，此時可以再鍵入“F1”繼續(xù)單步下一條機器指令。</p><p>　　F2_Step：單步微程序。每按動一次“F2”，單步執(zhí)行一條微指令，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。</p><p>　　F3_Exec：連續(xù)運行。按下“F3”系統(tǒng)即開始連續(xù)運行程序，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。此時按下任意鍵可終止程

56、序運行。注意，按任意鍵有可能不會立即終止程序運行，只有當一條機器指令運行完后，此命令才有效。</p><p>　　F4_Return：按ESC鍵即可返回主菜單。</p><p><b>　　7 心得體會</b></p><p>　　本次課程設計，基本實現(xiàn)了課程設計的基本要求和功能。通過這幾天的課程設計實踐，使我對基本模型機原理和微程序的編輯、寫

57、入方法有了進一步的了解,加深和鞏固了理論知識，達到了課程設計的目的，收獲良多。</p><p>　　課程設計更注重我們的實際操作能力，本次課設更是如此。我和另一個同學組成了一個團隊，課設使我們意識到團隊精神的重要性。因為這次課設實驗接線線路很復雜，一個人順利完成實驗難度很大，一是心理上壓力大，二是可能會漏接錯接線。</p><p>　　在實驗中，出現(xiàn)了不少問題，如復雜接線處不知該怎樣連接，

58、通過和同學們的討論以及老師的指導最終解決了問題。課程報告的寫作還算順利，按照老師給的模板完成了。</p><p>　　總之，通過本次課程設計，不僅使我掌握了理論知識，而且增強了我的動手能力，也使我意識到團隊精神、耐心、細心的重要性 。</p><p><b>　　8 參考文獻</b></p><p>　　[1]王愛英.計算機組成與結(jié)構(gòu)[M].北