計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)--有帶進(jìn)位加法和立即數(shù)尋址方式的模型機(jī)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要- 2 -</b></p><p>　　第一章 題目與要求- 3 -</p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)題目- 3 -</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)目的- 3 -</p><p>　　

2、1.3 課程設(shè)計(jì)要求- 3 -</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)- 3 -</p><p>　　第二章 準(zhǔn)備知識和實(shí)驗(yàn)設(shè)備- 4 -</p><p>　　2.1 準(zhǔn)備知識- 4 -</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)裝置- 6 -</p><p>　　第三章 模型機(jī)的設(shè)計(jì)驟- 7 -</p>

3、;<p>　　3.1確定設(shè)計(jì)目標(biāo)- 7 -</p><p>　　3.2確定指令系統(tǒng)- 7 -</p><p>　　3.3確定總體結(jié)構(gòu)- 7 -</p><p>　　3.4設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程- 7 -</p><p>　　3.4.1確定微程序地址- 7 -</p><p>　　3.4.2微指令代碼化

4、- 8 -</p><p>　　3.4.3編寫工作程序并代碼化- 8 -</p><p>　　3.4.4聯(lián)機(jī)操作文件的建立- 9 -</p><p>　　3.4.5連接實(shí)驗(yàn)線路- 9 -</p><p>　　3.5調(diào)試- 10 -</p><p>　　第四章 實(shí)驗(yàn)步驟- 11 -</p>&l

5、t;p>　　4.1程序的內(nèi)存映象- 11 -</p><p>　　4.2流程圖- 12 -</p><p>　　4.3微程序- 12 -</p><p>　　4.4程序分析：- 13 -</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)- 15 -</p><p>　　謝 辭- 16 -</p>

6、<p>　　參考文獻(xiàn)- 17 -</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在高新技術(shù)日新月異的今天，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為整個社會發(fā)展的源動力，電子領(lǐng)域的發(fā)展更是令人目不暇接，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，遍跡了千家萬戶，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代

7、的節(jié)奏也越來越快。 使設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視，通過設(shè)計(jì)?？梢栽O(shè)計(jì)出更好更新的科技產(chǎn)品，這將給科技的發(fā)展帶來很好的積極作用，也使科技的水平得到一定的高。</p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)的目的是從硬件的角度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的工作過程，掌握計(jì)算機(jī)最基本的工作原理。為培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析、研究、開發(fā)等方面的能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。了解硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位，以硬件為核心，疊加不同層次的軟件，構(gòu)成一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過對一

8、個簡單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，對計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的了解，加深對理論課程的理解。為今后的科研打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　第一章 題目與要求</b></p><p><b>　　1.1課程設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　有帶進(jìn)位

9、加法和立即數(shù)尋址方式的模型機(jī)</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)目的</p><p>　　通過對一個簡單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，對計(jì)算機(jī)的基本組成，部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的了解，在此基礎(chǔ)上完成一臺基本計(jì)算機(jī)的組成設(shè)計(jì)，從而加深對理論課程的理解，鍛煉自己的獨(dú)立思考和動手能力。</p><p>　　1.3 課程設(shè)計(jì)要

10、求</p><p>　　所設(shè)計(jì)模型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)共包含五條機(jī)器指令：IN(輸入)、ADC(帶進(jìn)位加法)、OUT(輸出)、STA（存數(shù)）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），加法指令的尋址方式為立即數(shù)尋址。其中IN指令為單字長（8位），其余為雙字長指令。使用R0寄存器作為工作寄存器。</p><p><b>　　[問題描述]</b></p><p>　　本題

11、目設(shè)計(jì)的是一臺具有輸入、輸出、帶進(jìn)位加法、儲存和跳轉(zhuǎn)功能的模型計(jì)算機(jī)，并寫出工作程序和測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。</p><p><b>　　1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)完本程序后，所設(shè)計(jì)模型機(jī)能夠完成從一個外設(shè)輸入一個數(shù)到指定的寄存器中，另外輸入立即數(shù)并將其存入另一個、寄存器中，兩數(shù)進(jìn)行進(jìn)位相加并將結(jié)果保存到第一個寄存器，輸出結(jié)果，并顯示

12、。另外，實(shí)現(xiàn)無條件跳轉(zhuǎn)至開始。</p><p><b>　　[指令格式]</b></p><p>　　第二章 準(zhǔn)備知識和實(shí)驗(yàn)設(shè)備</p><p><b>　　2.1 準(zhǔn)備知識</b></p><p><b>　　微指令格式</b></p><p>　　

13、微指令字長共24位，其控制位順序如下表所示：</p><p>　　表中uA0~uA5為6位的下一條微指令的地址,A、B、C為3個譯碼字段,分別由三個控制位譯碼出多位。C字段中的P(1)~P(4)是四個測試字位。其功能是根據(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)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，其原理如圖2所示。圖中I7~I2為指令寄存器的7~2位輸出，SE5~SE1為微控器單元微地址鎖存

14、器的強(qiáng)制端輸出。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、R0-B、RI-B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)器指令進(jìn)行三個工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理圖如圖3所示，圖中I0~I3為指令積存器的第0~3位，LDRi為打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。</p><p>　　（2）指令譯碼電路</p>

15、<p>　　圖 2-1指令譯碼電路</p><p>　?。?）寄存器譯碼電路</p><p>　　圖2-2寄存器譯碼電路</p><p>　　圖2-3微程序控制電路</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)組成原理THTJZ-2型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺

16、，排線若干。</p><p>　　計(jì)算機(jī)組成原理控制軟件。</p><p>　　第三章 模型機(jī)的設(shè)計(jì)驟</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺完整的計(jì)算機(jī)，大致需按如下的順序來考慮：</p><p><b>　　3.1確定設(shè)計(jì)目標(biāo)</b></p><p>　　確定所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的功能和用途。</p>

17、;<p><b>　　3.2確定指令系統(tǒng)</b></p><p>　　確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類型、需要設(shè)計(jì)哪些指令及使用的尋址方式，并給出具體的編碼，比如指令的操作碼，地址碼等的位數(shù)及各種編碼的含義。</p><p><b>　　3.3確定總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　（寄存器、加法器

18、、選擇器的設(shè)置與數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)）</p><p>　　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實(shí)現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。</p><p>　　對于部件設(shè)置，比如要確定運(yùn)算器部件采用什么結(jié)構(gòu)，控制器是微程序控制還是硬聯(lián)控制等。</p><p>　　綜合考慮計(jì)算機(jī)的速率、性能價格比、可靠性等要求，設(shè)計(jì)合理的

19、數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。</p><p>　　3.4設(shè)計(jì)指令執(zhí)行流程</p><p>　　數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程。</p><p>　　根據(jù)指令的復(fù)雜程度，確定每條指令所需要的機(jī)器周期數(shù)。對于微程序控制的計(jì)算機(jī)，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮哪些微操作可以

20、安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。</p><p>　　3.4.1確定微程序地址</p><p>　　確定后續(xù)微地址的形成方法，確定每個微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。</p><p>　　3.4.2微指令代碼化</p><p>　　根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化。首先寫出每個微地址以及該地址對應(yīng)的微指令代

21、碼（共24位二進(jìn)制信息），如下表所示：</p><p>　　其中：微地址表示控制存儲器的地址，后面的24位表示微指令。</p><p>　　然后將每個微地址和對應(yīng)的微指令轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，并寫在一行，格式為：</p><p>　　$M********，前面2個‘*’表示該微指令的在微控制器中的地址，后面</p><p>　　6個 ‘*’表示該微

22、指令代碼。如上述表中的四條微指令寫成：</p><p>　　$M00018110：表示在控制存儲器地址00h處的代碼是018110h。</p><p>　　$M0101ED82：表示在控制存儲器地址01h處的代碼是01ED82h。</p><p>　　$M0200C048：表示在控制存儲器地址02h處的代碼是00C048h。</p><p>

23、　　$M0300E004：表示在控制存儲器地址03h處的代碼是00E004h。</p><p>　　3.4.3編寫工作程序并代碼化</p><p>　　編寫測試用的工作程序，并寫出內(nèi)存映像，用二進(jìn)制表示。然后代碼化用16進(jìn)制來表示，格式為：$P****，前面2個‘*’表示該內(nèi)存的地址，后面2個‘*’表示該地址的數(shù)據(jù)。例如：</p><p>　　$P0044：表示在內(nèi)

24、存地址00h處的數(shù)據(jù)是44h。</p><p>　　$P0146：表示在內(nèi)存地址01h處的數(shù)據(jù)是46h。</p><p>　　3.4.4聯(lián)機(jī)操作文件的建立</p><p>　　為了從PC機(jī)下載工作程序和微程序，需要建立聯(lián)機(jī)操作文件，該文件是普通的文本文件，擴(kuò)展名為TXT，可用記事本來建立的，要求：</p><p>　　測試用的工作程序排在文件

25、的前面，每個內(nèi)存地址及代碼占一行；</p><p>　　微指令代碼排在文件的后面，每個微地址及微指令代碼占一行；</p><p>　　例如，下面是一個實(shí)驗(yàn)的文件(文件名：sample.txt)：</p><p>　　3.4.5連接實(shí)驗(yàn)線路</p><p>　　根據(jù)如圖3-1的實(shí)驗(yàn)線路圖連接實(shí)驗(yàn)線路。</p><p>　

26、　使用唐都軟件將工作程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)存和控制存儲器中。其中，自帶電源線的實(shí)驗(yàn)箱用NCMP53軟件，啟動軟件后使用F4[裝載]進(jìn)行下載；外接電源線的實(shí)驗(yàn)箱用CMPP軟件，啟動軟件后在菜單中選擇[轉(zhuǎn)儲]/[裝載]進(jìn)行下載。</p><p><b>　　圖 3-1</b></p><p><b>　　3.5調(diào)試</b></p>

27、<p>　　在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的正常運(yùn)行?？梢允褂每刂婆_命令SWA、SWB的不同取值，或使用聯(lián)機(jī)軟件檢查內(nèi)存程序是否正確，微程序是否正確。</p><p>　　當(dāng)所有功能模塊都調(diào)試正常后，進(jìn)入總調(diào)試?？梢允褂脝尾轿⒅噶罘绞綀?zhí)行工作程序，也可以直接使用連續(xù)方式執(zhí)行程序。在執(zhí)行過程中，可以通過聯(lián)機(jī)軟件的數(shù)據(jù)通路圖查看信息在計(jì)算機(jī)中的傳送路徑，

28、更有利于掌握數(shù)據(jù)的通路結(jié)構(gòu)。這樣也可以直接驗(yàn)證程序和微程序的正確性。</p><p>　　如果運(yùn)行結(jié)果不正確，需要返回來修改程序或微程序，每次修改后，需要重新完成第10步，將程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中。</p><p><b>　　第四章 實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p>　　在測試程序裝入內(nèi)存后，機(jī)器自動執(zhí)行控存中00號的微指令，產(chǎn)生控制臺命

29、令，其流程如下（01為取指微指令的地址）：</p><p>　　4.1程序的內(nèi)存映象</p><p>　　本設(shè)計(jì)的工作程序的內(nèi)存映象(裝入起始地址00H)如下：</p><p><b>　　4.2流程圖</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的程序流程圖如下：</p><p><b>　　4

30、.3微程序</b></p><p><b>　　4.4程序分析：</b></p><p>　　程序思想如下：首先將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器，然后送到ALU單元執(zhí)行ADD操作，加法完成后將結(jié)果再送到R0寄存器，然后STA跳轉(zhuǎn)，將R0寄存器的數(shù)據(jù)送到0BH，然后送顯示器顯示，送顯后立即JMP指令回到微程序的01步，即繼續(xù)執(zhí)行ADD加法，一直循環(huán)。</p>

31、;<p>　　微程序中，當(dāng)A9=0，A8=0時，選中Y0；</p><p>　　當(dāng)A9=0，A8=1時，選中Y1；</p><p>　　當(dāng)A9=1，A8=0時，選中Y2；</p><p>　　當(dāng)A9=1，A8=1時，選中Y3 </p><p>　　微指令解釋：指令中S3…CN為全0表示不執(zhí)行任何運(yùn)算操作，A9，A8如開始解釋的表

32、示選擇外設(shè)，均為1表示選中擴(kuò)展單元（EX UNIT）的Y3，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)接線圖可知，Y3表示不做任何操作，A，B，C字段為根據(jù)實(shí)驗(yàn)線路圖中起作用的單元，從09開始A，B，C分別為110，110，110表示LDAR，PC-B，LDPC有效（附錄圖3），根據(jù)數(shù)據(jù)通路圖，即是PC->AR，PC并自動+1，UA5…UA0為000011，即下址為下一條微指令地址03H。09執(zhí)行完后根據(jù)下址到達(dá)03，其中 A9，A8為01即是選中Y1，Y1與W

33、E相連表示存儲器工作，即RAM->BUS->AR，后續(xù)地址為04H。04指令中，A，B，C字段分別為011，000，000表示LDDR2有效，即表示將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳送到DR2寄存器中，RAM->BUS->DR2，后續(xù)地址為05H。05這條指令的A，B，C字段為010，001，000，即是LDDR1，RS-B有效，表示叫R0的數(shù)據(jù)傳送到DR1寄存器中，R0->DR1，后續(xù)地址為06H。06指令既為ADD運(yùn)算，

34、S3…CN為100101，A，B，C字段為001，101，000，即LDR</p><p><b>　　微指令代碼如下：</b></p><p>　　$M00018110$M0700E00D$M0E00E00F$M15070A01</p><p>　　$M0101ED82$M08001001$M0F00A015$M160

35、0D181</p><p>　　$M0200C048$M0901ED83$M1001ED92$M17070A10</p><p>　　$M0300E004$M0A01ED87$M1101ED94$M18068A11</p><p>　　$M0400B005$M0B01ED8E$M1200A017</p><p>

36、　　$M0501A206$M0C01ED96$M13018001</p><p>　　$M06959A01$M0D028201$M14002018</p><p>　　1.測試數(shù)據(jù)：FEH</p><p>　　結(jié)果為：FE->FF->00->02->03->04->…->FF->00->02-&g

37、t;… 做循環(huán)加法一直循環(huán),每次加1。</p><p>　　2.結(jié)果分析：ADD執(zhí)行的是不產(chǎn)生進(jìn)位的加法，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是每次在原來的數(shù)據(jù)上加01H。不產(chǎn)生進(jìn)位加。測試數(shù)據(jù)中 FF+01后會產(chǎn)生進(jìn)位，控制信號CN=1，AR=0，把上次運(yùn)行結(jié)果帶入下次運(yùn)算，進(jìn)位產(chǎn)生的01就自動帶入到下次運(yùn)算中，最后結(jié)果為00+01=02。</p><p><b>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) </b

38、></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，對計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的了解，加深了對組成原理理論課程的理解。</p><p>　　通過自己對一系列微程序的編寫，對程序執(zhí)行的流程以及指令之間的跳轉(zhuǎn)有了更深的理解，能夠根據(jù)流程圖和機(jī)器指令寫出相應(yīng)微程序，對簡單模型機(jī)里的數(shù)據(jù)流向圖也有了一定的理解，能看懂根據(jù)自己

39、編寫的微程序在模型機(jī)上的一步步流向，對ADD，ADC，BZC，RLC……等指令的運(yùn)用更加熟悉，對它們微程序的一步步流程也有了清晰的認(rèn)識，通過對機(jī)器指令和微指令的分析和編寫，理解了指令代碼所對應(yīng)的功能。本次實(shí)驗(yàn)里的微程序均由自己根據(jù)流程圖及機(jī)器指令編寫，正確完成了題目1—4的要求。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)中，在微程序的調(diào)試中花費(fèi)不少時間，尤其在BZC和RLC指令上耽擱較久，但通過觀察模型機(jī)上的操作流向來檢查錯

40、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（即數(shù)據(jù)沒有向題目要求的地方流動），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)下得到正確結(jié)果。在這次課程設(shè)計(jì)中，很多計(jì)算機(jī)組成原理的知識在實(shí)際中得到運(yùn)用，對組成原理的很多內(nèi)容有了一個直觀的認(rèn)識，自身理論知識和動手能力得到很大提高。有很大的收獲。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　非常感謝

41、我的導(dǎo)師**老師。他為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。在論文的寫作和措辭等方面他也總會以“專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”嚴(yán)格要求你，從選題、定題開始，一直到最后論文的反復(fù)修改、潤色，呂老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。正是呂老師的無私幫助與熱忱鼓勵，我的課程設(shè)計(jì)才能夠得以順利完成，謝謝呂老師。 感謝老師的指導(dǎo)和幫助，感謝各位同學(xué)在我們設(shè)計(jì)中給予的幫助，感謝眾多參考書編者給我們提供的方便，感謝學(xué)院能給我們這個機(jī)會來

42、設(shè)計(jì)電子器件。我們一定再接再勵，不斷進(jìn)步。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 電子計(jì)算機(jī)組成原理 （第二版）北京理工大學(xué)出版社</p><p>　　[2] 計(jì)算機(jī)組成原理（第二版）唐朔飛</p><p>　　[3] 計(jì)算機(jī)組成原理 白中英主編 北京：科學(xué)出版社 1994年<