組成原理課程設(shè)計---復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計</b></p><p>　　課程名稱： 組成原理課程設(shè)計報告 </p><p>　　設(shè)計題目： 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn) </p><p>　　學(xué) 院：

2、 信息工程與自動化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p>　　信息工程與自動 學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 2010 年級</p>

3、<p>　　課程設(shè)計題目： 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn) </p><p><b>　　課程設(shè)計主要內(nèi)容：</b></p><p>　　從輸入設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以K為直接地址的內(nèi)存單元，計算2X，取反后加X減1將結(jié)果存入以N為間接地址的內(nèi)存單元，最后輸出。</p><p>　　根據(jù)給定的模型機(jī)數(shù)

4、據(jù)通路圖及指令系統(tǒng)，把設(shè)計過程,畫大體圖—匯編程序—流程圖—微指令代碼—檢查，設(shè)計順序大致如下：先畫出了程序的流程，然后寫出了匯編程序，并且寫出了機(jī)器指令，完成了總體的流程圖，根據(jù)流程圖寫出了微指令以及微指令代碼，將機(jī)器指令代碼與微指令代碼寫成了一個txt文檔用機(jī)器錄入，運行程序，對照程序上面顯示的圖與我們畫的流程圖進(jìn)行對照，檢查來判斷這次試驗的成功與否。</p><p><b>　　課程設(shè)計報告要求：

5、</b></p><p>　　1、使用校發(fā)的統(tǒng)一課程設(shè)計報告用紙。</p><p>　　2、敘述微程序控制器原理、設(shè)計方法及步驟（參考理論課教材）。</p><p>　　3、畫出復(fù)雜模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖。</p><p>　　4、畫出設(shè)計的復(fù)雜模型機(jī)微程序流程圖。</p><p>　　5、寫出聯(lián)機(jī)操作時的十六進(jìn)

6、制格式文件。</p><p><b>　　6、調(diào)試情況。</b></p><p><b>　　7、課程設(shè)計收獲。</b></p><p>　　設(shè) 計 指 導(dǎo) 教 師 （簽字）： </p><p>　　教學(xué)基層組織負(fù)責(zé)人（簽字）

7、： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　目　錄</b></p><p>　　一、程序設(shè)計目的與基本原理………………………………… 3</p><p>　　二、 課程設(shè)計任務(wù)及分析………………………………………8</p><

8、;p>　　三、數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng) ………………………………………9</p><p>　　四、實驗設(shè)計結(jié)果與分析………………………………………14</p><p>　　五、實驗設(shè)計小結(jié)………………………………………………14</p><p>　　六、參考文獻(xiàn) ……………………………………………………14</p><p>　　一、程序

9、設(shè)計目的與基本原理</p><p><b>　　1、 程序設(shè)計目的</b></p><p>　?。?）綜合運用所學(xué)計算機(jī)原理知識，設(shè)計并實現(xiàn)一臺較為復(fù)雜的模型計算機(jī)，以便鞏固所學(xué)的知識，提高分析問題和解決問題的能力。</p><p>　?。?使用簡單模型機(jī)和復(fù)雜模型機(jī)的部分機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。</p&g

10、t;<p>　　（3）掌握微程序控制器的組成原理。掌握微程序的編寫、寫入，觀察微程序的運行。</p><p>　?。?）通過課程設(shè)計，使學(xué)生將掌握的計算機(jī)組成基本理論應(yīng)用于實踐中，在實際操作中加深對計算機(jī)各部件的組成和工作原理的理解，掌握微程序計算機(jī)中指令和微指令的編碼方法，深入理解機(jī)器指令在計算機(jī)中的運行過程。</p><p>　　2、 程序設(shè)計基本原理</p>

11、<p>　?。?）實驗?zāi)Ｐ蜋C(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　[1] 寄存器堆單元（REG UNIT）</p><p>　　該部分由3片8位寄存器R0、R1、R2組成，它們用來保存操作數(shù)用中間運算結(jié)構(gòu)等。三個寄存器的輸入輸出均以連入數(shù)據(jù)總線，由LDRi和RS-B根據(jù)機(jī)器指令進(jìn)行選通。</p><p>　　[2] 運算器單元（ALU UINT）</p>

12、;<p>　　運算器單元由以下部分構(gòu)成：兩片74LS181構(gòu)成了并－串型8位ALU；兩個8位寄存器DR1和DR2為暫存工作寄存器，保存參數(shù)或中間運算結(jié)果。ALU的S0～S3為運算控制端，Cn為最低進(jìn)位輸入，M為狀態(tài)控制端。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245連到數(shù)據(jù)總線上，由ALU-B控制該三態(tài)門。</p><p>　　[3] 指令寄存器單元（INS UNIT）</p><p&g

13、t;　　指令寄存器單元中指令寄存器（IR）構(gòu)成模型機(jī)時用它作為指令譯碼電路的輸入，實現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，由LDIR控制其選通。</p><p>　　[4] 時序電路單元（STATE UNIT）</p><p>　　用于輸出連續(xù)或單個方波信號，來控制機(jī)器的運行。</p><p>　　[5] 微控器電路單元（MICRO－CONTROLLER UNIT）</p>

14、<p>　　微控器主要用來完成接受機(jī)器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)機(jī)器指令對應(yīng)的首條微代碼程序，對該條機(jī)器指令的功能進(jìn)行解釋或執(zhí)行的工作。由輸入的W/R信號控制微代碼的輸出鎖存。由程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）實現(xiàn)程序的取指功能。</p><p>　　[6] 邏輯譯碼單元（LOG UNIT）</p><p>　　用來根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)

15、的微地</p><p>　　址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，及工作寄存器R0、R1、R2的選通譯碼。</p><p>　　[7] 主存儲器單元（MAIN MEM） </p><p>　　用于存儲實驗中的機(jī)器指令。</p><p>　　[8] 輸入輸出單元（INPUT/OUTPUT DEVICE）</p>&

16、lt;p>　　輸入單元使用八個撥動開關(guān)作為輸入設(shè)備，SW-B控制選通信號。輸出單元將輸入數(shù)據(jù)置入鎖存器后由兩個數(shù)碼管顯示其值。</p><p>　　*該CPU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通路框圖如下：</p><p>　?。?）機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　[1] 算術(shù)邏輯指令</p><p>　　設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采

17、用寄存器直接尋址，其格式如下：</p><p>　　其中，OP-CODE為操作碼，Rs為源寄存器，Rd為目的寄存器，并規(guī)定：</p><p>　　[2] 訪存指令及轉(zhuǎn)移指令</p><p>　　模型機(jī)設(shè)計2條訪問指令，即存數(shù)(STA)、取數(shù)(LDA)、2條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移(JMP)、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令(BZC)。其格式如下：</p><

18、;p>　　其中，OP-CODE為操作碼， Rd為目的寄存器，D為位移量(正負(fù)均可)，M為尋址方式，其定義如下：</p><p>　　本模型機(jī)規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存器R2。</p><p><b>　　[3] I/O指令</b></p><p>　　輸入和輸出指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　

19、　其中，addr=01 時，表示選中“輸入單元”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時，表示選中“輸出單元”中的數(shù)碼管作為輸出設(shè)備。</p><p><b>　　[4] 停機(jī)指令</b></p><p>　　這類指令只有1條，即停機(jī)指令HALT，用于實現(xiàn)停機(jī)操作，指令格式如下：</p><p><b>　　(3)指令系統(tǒng)</b

20、></p><p>　　[1]本模型機(jī)共有16條基本指令。其中，算術(shù)邏輯指令9條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其他它指令1條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。</p><p>　　表1 復(fù)雜模型機(jī)指令系統(tǒng)</p><p>　　在上述各測試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術(shù)運算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其

21、為零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分別為源寄存器選通信號，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(jī)器指令來進(jìn)行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是某芯片的選通信號，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行相應(yīng)芯片的選通譯碼。</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&g

22、t;<p>　　存儲器讀操作（READ）：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（WRITE）：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(jìn)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)SW

23、B、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(shè)置，其定義如下：</p><p>　　二、 課程設(shè)計任務(wù)及分析</p><p>　　從輸入設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以K為直接地址的內(nèi)存單元，計算2X，取反后加X減1將結(jié)果存入以N為間接地址的內(nèi)存單

24、元，最后輸出。</p><p>　　根據(jù)給定的模型機(jī)數(shù)據(jù)通路圖及指令系統(tǒng)，把設(shè)計過程,畫大體圖—匯編程序—流程圖—微指令代碼—檢查，具體表示在流程圖上面就是間接尋址要通過地址先找地址再找數(shù)據(jù)所以要分兩次，參考書本后，決定了將2X通過一次X加X算術(shù)運算來實現(xiàn)，由于2X的取反只需要做非運算即可在預(yù)算過程過程中通過4次來實現(xiàn)，所以我想到了先計算X加X然后在將2X求非再加X最后減1的運算流程，于是一個初步的構(gòu)想于是就這樣

25、形成了，在寫匯編程序時候我們也是忠實的按照這個構(gòu)想來寫的。設(shè)計順序大致如下：先畫出了程序的流程，然后寫出了匯編程序，并且寫出了機(jī)器指令，完成了總體的流程圖，根據(jù)流程圖寫出了微指令以及微指令代碼，將機(jī)器指令代碼與微指令代碼寫成了一個txt文檔用機(jī)器錄入，運行程序，對照程序上面顯示的圖與我們畫的流程圖進(jìn)行對照，檢查來判斷這次試驗的成功與否。</p><p>　　三、數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng)</p><p

26、><b>　　1、機(jī)器指令 </b></p><p>　　本設(shè)計的規(guī)定項目采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、MOV（將最終計算結(jié)果存入間接地址中）、ADD（二進(jìn)制加法）、NOT(給2X取非)、STA（將X存入直接地址中）、DEC(減1)、OUT（輸出）、HLT（保持執(zhí)行結(jié)束狀態(tài)，不再執(zhí)行操作），其指令格式如下表1（前四位是操作碼）：</p><p>　　IN為單

27、字長指令，含義是將輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)放入R0中。ADD為雙字長指令，其含義是根據(jù)指令提供的地址將內(nèi)存中的數(shù)取出放入DR2，與DR1中的數(shù)相加，結(jié)果放在R0。NOT為單字長指令，含義是將R0的內(nèi)容取非后放入R0。 STA為雙字長指令，第二個字是要存放的地址，含義是將R0中的內(nèi)容存儲到第二字為地址的內(nèi)存單元中。</p><p>　　DEC是單字長指令，含義是R0的內(nèi)容減1后放入R0。 MOV是雙字長指令，第二字是要存

28、放的間接地址，含義是將R0中的內(nèi)容存儲到第二字為間接地址的內(nèi)存單元中。OUT為雙字長指令，含義是根據(jù)指令提供的地址，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出由數(shù)碼管進(jìn)行顯示。HLT為空轉(zhuǎn)指令，保持執(zhí)行結(jié)束狀態(tài)，并不在執(zhí)行任何操作。 本設(shè)計的機(jī)器指令如下：</p><p>　　按照如下規(guī)定的格式，用聯(lián)機(jī)軟件建立將機(jī)器指令及微指令的二進(jìn)制代碼編輯成十六進(jìn)制的*.txt類型文件。（微指令格式中的微指令代碼為將表中的24位微代碼按從左到右分

29、成三個八位，將此三個八位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可），并用聯(lián)機(jī)軟件的轉(zhuǎn)儲功能將該式文件裝載到試驗系統(tǒng)中。</p><p>　　機(jī)器指令格式說明： $PXX XX</p><p>　　微指令格式說明： $MXX XXXXXX</p><p>　　啟動程序：當(dāng)控制臺開關(guān)SWB、SWA置為“1 1”時，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取指”微指令，啟

30、動程序運行，按照數(shù)據(jù)通路可畫出機(jī)器指令的微程序流程圖如圖2所示。當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)測試。由于“取指”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。本實驗中共出現(xiàn)8路分支，分別對應(yīng)8種機(jī)器指令。占用8個固定的微地址單元。</p><p><b>　　2、微程序流程圖</b></p><p><b&g

31、t;　　3、微指令代碼</b></p><p>　　指令寄存器(IR)用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)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。“指令寄存器”(實驗板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼

32、結(jié)果強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)得微程序首地址。</p><p>　　本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時，二進(jìn)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。輸出時，將輸出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，當(dāng)寫信號(W/R)有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器

33、，并在數(shù)碼管顯示。</p><p>　　4、課程設(shè)計實現(xiàn)步驟</p><p>　?。?） 按照實驗指導(dǎo)書的接線圖連接線路。</p><p>　?。?） 聯(lián)機(jī)寫入程序（微指令），按照實驗要求的規(guī)定格式，將機(jī)器指令及微指令二進(jìn)制代碼表編輯成十六進(jìn)制的文件</p><p><b>　　機(jī)器指令</b></p>&

34、lt;p><b>　　$P0000</b></p><p><b>　　$P0110</b></p><p><b>　　$P020F</b></p><p><b>　　$P0320</b></p><p><b>　　$P040F<

35、;/b></p><p><b>　　$P0530</b></p><p><b>　　$P0640</b></p><p><b>　　$P070F</b></p><p><b>　　$P0850</b></p><p>

36、<b>　　$P0960</b></p><p><b>　　$P0A10</b></p><p><b>　　$P0B70</b></p><p><b>　　$P0C10</b></p><p><b>　　$P0D80</b>&

37、lt;/p><p><b>　　$P0F01</b></p><p><b>　　$P1011</b></p><p><b>　　$P1100</b></p><p><b>　　微指令</b></p><p>　　$M0001811

38、0</p><p>　　$M0101ED82</p><p>　　$M0200C060</p><p>　　$M0300E004</p><p>　　$M04028201</p><p>　　$M0500E006</p><p>　　$M0600B007</p><p>

39、　　$M0701A20F</p><p>　　$M0800E00C</p><p>　　$M0900E00A</p><p>　　$M0A00A00B</p><p>　　$M0B070A01</p><p>　　$M0C028201</p><p>　　$M0D00E00A</p>

40、<p>　　$M0F959A01</p><p>　　$M1001ED92</p><p>　　$M1100ED94</p><p>　　$M1200A017</p><p>　　$M13018001</p><p>　　$M14002018</p><p>　　$M16099A0

41、1</p><p>　　$M17070A10</p><p>　　$M18068A11</p><p>　　$M1900E01A</p><p>　　$M1A00B01B</p><p>　　$M1B01A21C</p><p>　　$M1C959A01</p><p>

42、　　$M1EF59A01</p><p>　　$M1F00E008</p><p>　　$M20001001</p><p>　　$M2101ED83</p><p>　　$M2201ED85</p><p>　　$M2301A216</p><p>　　$M2401ED99</p>

43、<p>　　$M2501A21E</p><p>　　$M2601ED7F</p><p>　　$M2701ED89</p><p>　　$M28018028</p><p><b>　?。?） 聯(lián)機(jī)運行</b></p><p>　　聯(lián)機(jī)運行程序時，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令

44、后，選擇[操作]→[調(diào)試]功能菜單打開相應(yīng)的動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運行、監(jiān)控、調(diào)試程序。截圖如下：</p><p>　　四、 實驗設(shè)計結(jié)果與分析</p><p>　　在經(jīng)過運行之后可以得出以下結(jié)果：</p><p>　　輸入數(shù)值 X=0000 0001 (01H)</p><p>　　直接地址

45、 K=0000 1111 (0FH)</p><p>　　中間結(jié)果 2X=1111 1101 (FDH)</p><p>　　間接地址 N=0001 0000 (10H)</p><p>　　間接地址所指直接地址 0001 0001 (11H)</p>

46、<p>　　最終結(jié)果 2X取反加X減1=1111 1101（FDH）</p><p>　　經(jīng)檢驗，輸出結(jié)果與計算結(jié)果相符，證明實驗設(shè)計正確</p><p><b>　　五、實驗體會小結(jié)</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計的過程中，我基本上掌握了復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)。與此同時，進(jìn)一步的了解了計算機(jī)

47、系統(tǒng)各模塊的基本工作原理、各部件之間的設(shè)計與連接、微程序控制器的設(shè)計、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程。加深了對計算機(jī)組成原理理論課程以及上學(xué)期實驗的鞏固。</p><p>　　本次實驗大體上分為三步。首先，是連接電路。其次，裝載課程設(shè)計指導(dǎo)書上設(shè)計的程序并測試運行,通過觀察運行情況和數(shù)據(jù)在總線上的流動,了解各功能部件的工作原理和工作機(jī)制以及流程圖各指令的含義。最后，自己設(shè)計程序并裝載運行并檢驗運行結(jié)果。對于自己

48、要設(shè)計的程序首先根據(jù)題目要求寫出它的匯編格式，再根據(jù)這個匯編格式寫出機(jī)器指令并設(shè)計出微程序流程圖。經(jīng)過多次修改，最終實現(xiàn)設(shè)計要求。通過這次實驗設(shè)計是我加深了對機(jī)器指令和微指令的理解和計算機(jī)計算流程的了解。</p><p>　　本次課程設(shè)計中，在各部分的設(shè)計中都花費了不少時間，特別是在微程序的調(diào)試時花費的時間最多。首先必須對功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，只有各模塊工作正常后才能進(jìn)行總調(diào)。在手動輸入微程序指令的時，正確無誤

49、的寫出各條機(jī)器指令的二進(jìn)制代碼也是一個難點，根據(jù)電路圖連接線路也要多加注意。這就要求我們在操作時必須細(xì)心謹(jǐn)慎。在檢錯時，通過觀察模型機(jī)上的操作流向來檢查錯誤收獲較大，模型機(jī)能比較準(zhǔn)確的看出自己出錯的地方從而進(jìn)行更正。通過對程序進(jìn)行多次調(diào)試修改以及老師的幫助指導(dǎo)下才得到正確結(jié)果。</p><p>　　由于計算機(jī)設(shè)計的部件較多、結(jié)構(gòu)原理較復(fù)雜，對于我們這樣的初設(shè)計者來說感到無從下手。在設(shè)計過程中，我們從開始的粗略的一

50、個概念，到中間的疑惑與焦慮，到解決了問題的快樂。這對于我們以后工作也有著很大的好處，培養(yǎng)了我們遇到問題，分析問題，解決問題各個方面上的能力。</p><p>　　在設(shè)計中我們也學(xué)到了不少知識.雖然計算機(jī)組成原理的課程設(shè)計與學(xué)習(xí)已經(jīng)結(jié)束,可我們學(xué)習(xí)之路并沒有結(jié)束,我們會繼續(xù)努力學(xué)習(xí)其相關(guān)的知識,在平時的學(xué)習(xí)中，我們一定要多了解理論知識，同時要結(jié)合實際操作實現(xiàn)。</p><p><b&g

51、t;　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《計算機(jī)組成原理》 高等教育出版社 唐朔飛著</p><p>　　《數(shù)字邏輯》 高等教育出版社 毛發(fā)堯著 </p><p>　　《計算機(jī)組成原理實驗書》 安徽大學(xué) 周勇著</p&g