計算機組成原理課程設(shè)計---帶復雜指令的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　課程設(shè)計(論文)任務(wù)書</p><p>　　信息 　學　　院　　 計算機科學與技術(shù) 　?！　I(yè)　 一 　班　　　 </p><p>　　一、課程設(shè)計(論文)題目　　帶復雜指令的模型機的設(shè)計與實現(xiàn) 　　 </p><p>　　二、課程設(shè)計(論文)工作自 2012 年

2、 6 月 11 日起至 2012 年 6 月 17 日止。</p><p>　　三、課程設(shè)計(論文) 地點: 5-301 </p><p>　　四、課程設(shè)計(論文)內(nèi)容要求：</p><p>　　1．本課程設(shè)計的目的</p><p>　　通過課程

3、設(shè)計，使學生將掌握的計算機組成基本理論應(yīng)用于實踐中，在實際操作中加深</p><p>　　對計算機各部件的組成和工作原理的理解，掌握微程序計算機中指令和微指令的編碼方法，</p><p>　　深入理解機器指令在計算機中的運行過程。</p><p>　　2．課程設(shè)計的任務(wù)及要求</p><p><b>　　1）基本要求：</b&

4、gt;</p><p>　　要求學生動手操作實驗設(shè)備，掌握微程序設(shè)計思想和設(shè)計方法，設(shè)計實現(xiàn)一個簡單的模</p><p>　　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>　　并能實現(xiàn)一些簡單的機器指令，并根據(jù)設(shè)計好的指令設(shè)計簡單的機器指令程序，實現(xiàn)輸入、</p><p>　　輸出、存儲器

5、讀寫和簡單的控制指令。</p><p><b>　　2）創(chuàng)新要求： </b></p><p>　　要求學生根據(jù)要求，設(shè)計符合要求的指令程序?qū)崿F(xiàn)簡單的任務(wù)，并為設(shè)計的機器指令編</p><p>　　寫相應(yīng)的微程序代碼，并在模型機上驗證和測試。</p><p>　　3）課程設(shè)計論文編寫要求</p><p&

6、gt;　　（1）要按照書稿的規(guī)格打印謄寫畢業(yè)論文。</p><p>　　（2）論文包括目錄、緒論、正文、小結(jié)、參考文獻、附錄等。</p><p>　?。?）課設(shè)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>　?。?）完成原理分析：20分； </p><p>　?。?）完成設(shè)

7、計過程：25分； </p><p>　?。?）完成調(diào)試：25分；</p><p>　?。?）回答問題：10；</p><p>　　（5）格式規(guī)范性 ：20分。</p><p><b>　　5）參考文獻：</b></p><p>　?。?）王愛英.《計算機組成與結(jié)構(gòu)》 清華大學出版社</p&g

8、t;<p>　?。?）計算機組成原理實驗指導書</p><p>　　6）課程設(shè)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 2　　　　　　圖書館</p><p>　　上級調(diào)試 2　　　　　　實驗室&l

9、t;/p><p>　　撰寫論文 3　　　　　　圖書館、教室</p><p>　　學生簽名： </p><p>　　2012 年 6 月 11 日</p><p>　　課程設(shè)計(論文)評審意見</p><p>　?。?）完成原理分析（20分）：優(yōu)（?。?、良（　

10、）、中（　）、一般（?。?、差（　）； </p><p>　　（2）設(shè)計分析　?。?5分）：優(yōu)（?。?、良（?。?、中（　）、一般（?。?、差（?。?； </p><p>　　（3）完成調(diào)試　?。?5分）：優(yōu)（?。?、良（?。⒅校ā。?、一般（?。?、差（?。?；</p><p>　?。?）回答問題　?。?0分）：優(yōu)（　）、良（?。⒅校ā。⒁话悖ā。?、差（?。?；</p&g

11、t;<p>　?。?）格式規(guī)范性 ：（20分）：優(yōu)（?。⒘迹ā。?、中（?。?、一般（?。?、差（　）；</p><p>　　評閱人： 　周潔　　 職稱： 講師 </p><p>　　2012 年 6 月 17 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><

12、b>　　一、設(shè)計目的3</b></p><p><b>　　二、設(shè)計內(nèi)容4</b></p><p><b>　　三、設(shè)計原理4</b></p><p><b>　　四、詳細設(shè)計6</b></p><p>　　（一）數(shù)據(jù)通路框圖6</p>

13、<p><b>　?。ǘ┝鞒虉D7</b></p><p><b>　?。ㄈ┪⒋a表8</b></p><p>　?。ㄋ模C器指令設(shè)計9</p><p>　　（五）確定連線圖10</p><p>　?。┪⒊绦蛑噶顖?zhí)行流程及說明11</p><p>

14、<b>　　五、心得體會18</b></p><p><b>　　六、參考文獻18</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目的</b></p><p><b>　　課程設(shè)計目的</b></p><p>　　1. 在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，

15、進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺帶復雜指令的模型計算機。</p><p>　　2. 為其定義六條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機調(diào)試掌握整機概念。</p><p>　　3. 需要實現(xiàn)寄存器間接尋址方式。</p><p><b>　　二、設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　我的課程設(shè)計中設(shè)計實現(xiàn)了一個簡單的模型機，該模型

16、機包含若干條簡單的計算機指令，其中包括輸入、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。同時設(shè)計出了這些機器指令對應(yīng)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(shè)計一段簡單機器指令程序。微程序能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，進行二進制減法，利用寄存器間接尋址方式尋址。</p><p>　　在實驗室階段，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，通過指示燈來顯示和觀察該段程序的運行，

17、驗證編寫的指令和微指令的執(zhí)行情況是否符合設(shè)計要求。</p><p><b>　　三、設(shè)計原理 </b></p><p>　　我們通過設(shè)計微程序，使得這個簡單模型機能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令功能。計算機的數(shù)據(jù)通路的控制由微程序控制器完成，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

18、對應(yīng)一個微程序。</p><p>　　本實驗采用七條機器指令：IN0/1（輸入并存入存儲器單元）、IN（輸入）、SUB（二進制加減法）、STA（存數(shù)）、PUT（間接尋址）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）。其中IN和PUT為單字長，其余為雙字長指令。</p><p><b>　　指令格式如下：</b></p><p>　　助記符

19、 機器指令碼 說明</p><p>　　IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中的開關(guān)狀態(tài)R0</p><p>　　IN0/1 addre 0001 0000 “INPUT DEVICE”->RO->[addre]</p><p>　　PUT

20、 0010 0000 間接寄存器尋址[R0]->[addr]->DR1</p><p>　　SUB addr 0011 0000 R0-DR1 R0</p><p>　　STA addr 0100 0000 R0 [addr]</p><p>　　OUT

21、 addr 0101 0000 [addr] BUS</p><p>　　JMP addr 0110 0000 addrPC</p><p>　　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(shè)計三個控制臺操作微程序。</p><p>　　存儲器讀操作（KRD）：撥動總清

22、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“

23、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(shè)置，其定義如下：</p><p>　　微代碼定義表如下圖所示：</p><p>　　其中第18位到24位是控制運算器中的74LS181型ALU功能；</p><p>　　第16、17位是控制擴展單元，它利用74LS139作為譯碼器，功能圖如下

24、：</p><p>　　第7位到第15位分為A、B、C三個字段，各字段的功能圖如下：</p><p>　　第1位到第6位為下址字段，為本條微指令執(zhí)行完后下一條指令的地址。</p><p>　　本模型機設(shè)計中，微程序存儲在2816E²PROM中，機器指令程序存儲在6116中。</p><p><b>　　四、詳細設(shè)計<

25、/b></p><p><b>　?。ㄒ唬?shù)據(jù)通路框圖</b></p><p>　　根據(jù)我的課程設(shè)計要求設(shè)計數(shù)據(jù)通路框圖如下：</p><p><b>　?。ǘ┝鞒虉D</b></p><p>　　控制臺與微程序流程圖</p><p>　　當擬定“取指”微指令時，該微指

26、令的判別測試字段為P（1）測試。由于“取指”微指令是所有微指令都使用的公用微指令，因此P（1）的測試結(jié)果會出現(xiàn)多路分支。我們使用指令寄存器的前4位（IR7－IR4）作為測試條件，出現(xiàn)8路分支，占用8個固定微地址單元。</p><p>　　控制臺命令的微程序流程，01為取指令微指令的地址。</p><p><b>　　（三）微代碼表</b></p><

27、;p>　　當全部微程序設(shè)計完畢后，將每條微指令代碼化，把流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化成“二進制微代碼表”，如下：</p><p><b>　　（四）機器指令設(shè)計</b></p><p>　　1、本實驗要求實現(xiàn)以下指令流程：</p><p>　　指令執(zhí)行流程：輸入兩個數(shù)05,01分別送到存儲器地址單元1AH,1BH，</p><

28、;p>　　05→[1AH] //IN，STA</p><p>　　01→[1BH] //IN，STA</p><p>　　1AH→R0 //IN</p><p>　　[R0] →R0 //PUT，間接尋址</p><p>　　R0-[1BH] →R0 //SUB</p><p>　　R0→[1C

29、H] //STA</p><p>　　[1CH] →LED顯示存儲單元1CH內(nèi)容 //OUT</p><p>　　2．相應(yīng)機器指令程序如下：</p><p>　　地 址（二進制） 內(nèi) 容（二進制） 助記符 說 明</p><p>　　0000 0000 0000 0000 IN0

30、 [1AH] “INPUT DEVICE”->R0->[1AH]</p><p>　　0000 0001 00011010</p><p>　　0000 0010 0010 0000 IN1 [1BH] “INPUT DEVICE”->R0->[1BH]</p><p>　　0000 00

31、11 0000 1011</p><p>　　0000 0100 0011 0000 IN “INPUT DEVICE”->R0</p><p>　　0000 0101 0100 0000 PUT [R0]->R0->DR1</p><p>　　0

32、000 0110 0101 0000 SUB [1BH] DR1 – [1BH]->R0</p><p>　　0000 0111 0001 1011 </p><p>　　0000 1000 0110 0000 STA [1CH] R0->[1CH]</p>

33、<p>　　0000 1001 0001 1100 </p><p>　　0000 1010 0111 0000 OUT [1CH] [1CH]->BUS</p><p>　　0000 1011 0001 1100 </p><p>　　0000 1100

34、 1000 0000 JMP [00H] 00H->PC</p><p>　　0000 1101 0000 0000</p><p><b>　　（五）確定連線圖</b></p><p>　　根據(jù)各部件的功能，確定好電路各個芯片的連接，如下：</p><p><

35、;b>　　各部件功能：</b></p><p>　　指令寄存器（IR）：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一行指令時。先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后在傳至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構(gòu)成，執(zhí)行任何給定的指令，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。</p><p>　　指令譯碼器（ID）：根據(jù)

36、指令中的操作碼譯碼強制微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。</p><p>　　輸入設(shè)備（INPUT DEVTICE）：是一種二進制代碼開關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。輸入時，二進制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。</p><p>　　輸出設(shè)備（OUTPUT DEVICE）：是一種數(shù)碼塊，完成數(shù)據(jù)輸出。輸出時，匠輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當寫信

37、號（W/R）有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)據(jù)塊顯示。</p><p>　　（六）微程序指令執(zhí)行流程及說明</p><p><b>　　五、心得體會</b></p><p>　　通過這次的計算機組成原理的課程設(shè)計，我對計算機內(nèi)部元件的工作原理有了進一步的了解與認識。許多在課堂上沒有聽懂，沒有學會的知識在課程設(shè)計的過程中暴露無遺，不過積極的方

38、面是通過課程設(shè)計，我把這些知識上的明顯漏洞給補上了。我對機器指令及微指令的編碼方法不了解，對計算機機各部件工作原理也不是很理解。為了弄清楚這些問題，我又把課本拿出來重新翻閱并尋求老師的幫助。我們這種工科的學習需要理論聯(lián)系實際，才能更好的掌握所學的知識。在實驗室的時候也遇到了一些問題，不過在請教了同學和老師之后，這些問題也都一個個迎刃而解。</p><p>　　這次的課程設(shè)計題目我選擇的是帶復雜指令的基本模型機的設(shè)

39、計與實現(xiàn)，在掌握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。并為其定義七條機器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機調(diào)試掌握整機概念。以前都只是在使用計算機，對它內(nèi)部的部件組成和構(gòu)造不是特別的清楚，在課程設(shè)計的最初階段，我沒有急于進行具體的設(shè)計，而是先理清思路，明確自己要做的工作是什么，如何來實現(xiàn)基本模型機的相關(guān)功能。這些前期的準備工作雖然用去了我很多的時間，但是最后的結(jié)果證明，我這樣的方法是正確的。課程設(shè)計就像是一

40、個系統(tǒng)工程，內(nèi)容多而復雜，必須先在整體上進行宏觀的把握，然后再具體的進行實施。如果開始的方向就不對，那后面的改進就會很麻煩。</p><p>　　在好好學習實驗指導書上面的知識后，后面的相關(guān)設(shè)計參照課程設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容進行了相應(yīng)的改變，并設(shè)計微指令和相應(yīng)機器指令，然后將微指令和相應(yīng)的機器指令通過置試驗箱上的數(shù)據(jù)開關(guān)寫入相應(yīng)芯片中，運行程序，驗證編寫的指令和微指令的執(zhí)行情況是否符合設(shè)計要求。這個過程中，可以稱的上是

41、狀況百出，很多事先沒想到的問題在這里都出現(xiàn)了，例如試驗箱連線的問題，導線是好還是斷的問題，程序跑飛的問題等等，在這個過程中，通過自己的思考，查詢資料還有詢問老師和同學，總算是一個一個的解決了。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我的收獲很多。課程設(shè)計不僅鞏固我的理論知識，將理論和實踐結(jié)合起來，鍛煉了我的動手能力，也讓我認識到自己的不足之處，爭取以后能克服這些缺點，更進一步提高自己各個方面的能力。</p&