北華航天工業(yè)學院__計算機組成原理課設報告材料

1、實用標準文案M羊拒天工嚏母悅計算機組織與體系結構課程設計報告報 告 題目：復雜模型機系統(tǒng)設計及運行作者所在系部：計算機科學與工程系作者所在專業(yè)：網絡工程作者所在班級：B11522作者姓名：張旭剛指導教師姓名：房好帥完成時間：2013/6/28北華航天工業(yè)學院教務處制文檔目錄1內容摘要2課程設計任務書3第1章緒論41.1 設計地點41.2 設計目的41.3 設計內容41.4 實驗的環(huán)境41.5 課程設計的要求5第2章基礎知識62.1 概述62.2 主要技術要點72.2.1 ALU 部件72.2.2 .存儲體72.2.3 控制器7第3章系統(tǒng)設計與實現(xiàn)93.1 模型機結構93.2 程序設計原理103

2、.2.1 數(shù)據(jù)格式及指令格式 103.2.2 指令系統(tǒng)113.2.3 微指令設計 113.3 機器指令設計 133.4 聯(lián)機實驗143.4.1 實驗流程143.4.2 實驗連線143.4.3 實驗步驟153.4.4 實驗結果20總結21參考文獻22內容摘要計算機系統(tǒng)是包括計算機硬件和軟件的一個整體，兩者不可分割，但處于不同的層次 上。計算機系統(tǒng)的層次結構模型中，第 0層是硬件內核（邏輯線路），第1、2層是指令系統(tǒng) 和實現(xiàn)該指令系統(tǒng)所采用的技術（組合邏輯技術、微程序控制技術、PLA控制技術），第3、4層為系統(tǒng)軟件，第5層為應用軟件，第6層是系統(tǒng)分析。計算機組成原理涉及到的是第0、 1、2這3層。

3、本次計算機組成原理的課程設計主要是實現(xiàn)一個較完整的模型機，在實驗中了解，熟 悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組 成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結構與功能、輸入 /輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。以及 增強自己的動手能力。課設主要依托組成原理實驗室設備 EL-JY-II來完成的，在實驗當中 利用了實驗設備廠商開發(fā)的工具以及部分源程序代碼。關鍵詞模型機 微指令機器指令微地址 微代碼課程設計任務書課題名稱復雜模型機系統(tǒng)設計及運行完成時間2013.6.28指導教師房好帥職稱講師學生姓名張旭剛班級B11522總體設計要求和技術要點掌握計算機五大功能部件的組成及功能

4、，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，學 握計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的 結構與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。(1)利用實驗設備平臺構造完整的模型機；(2)利用運算器74LS181執(zhí)行算術操作和邏輯操作；(3)運用隨機存儲器RAMZ及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系，實現(xiàn)運算器和 存儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結果是否正確；(4)應用微程序控制器，往 EEPROM任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證具正 確性；(5)構造指令系統(tǒng)，定義至少15條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能，包括算 術/邏輯運算以及輸入輸出處理。(6)完成指定功能的實現(xiàn)，

5、參加成果驗收，撰寫課程設計報告。工作內容及時間進度安排總計2周：1.6月17日：資料查閱、確定選題、系統(tǒng)總體設計2. 6月18日21日：熟悉開發(fā)環(huán)境和工具，模塊設計、代碼編制3. 6月24日28日：系統(tǒng)調試與運行，現(xiàn)場驗收設計成果4. 6月28日：上交設計告(打印稿及電子稿)課程設計成果1 .課程設計硬件系統(tǒng)及配套軟件2 .課程設計報告書第1章緒論本課程設計綜合運用運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、總線等部件和輔助電 路，完成一個較完整的模型計算機設計和實現(xiàn)(包括硬件和軟件)。1.1 設計地點圖書館五樓計算機組成原理實驗室。1.2 設計目的通過課程設計對計算機組成和系統(tǒng)結構的基礎知識進行全

6、面的掌握，培養(yǎng)獨立分析、 研究、開發(fā)和綜合設計能力。1.3 設計內容掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握 計算機中數(shù)據(jù)表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現(xiàn)、存儲器子系統(tǒng)的結構 與功能、輸入/輸出系統(tǒng)的工作原理與功能。(1)利用實驗設備平臺構造完整的模型機；(2)利用運算器74LS181執(zhí)行算術操作和邏輯操作；(3)運用隨機存儲器RAMUZ及地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關系， 實現(xiàn)運算器和存 儲器協(xié)同工作，讀寫數(shù)據(jù)，檢查結果是否正確；(4)應用微程序控制器，往EEPRO機任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確 性；(5)構造指令系統(tǒng)，定義至少1

7、5條機器指令，實現(xiàn)比較完整的模型機功能，包括算 術/邏輯運算以及輸入輸出處理；(6)完成指定功能的實現(xiàn)，參加成果驗收，撰寫課程設計報告。1.4 實驗的環(huán)境利用EL-JY-II型計算機組成與系統(tǒng)結構實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“基板+T展板（CPU板）”形式；系統(tǒng)公共部分如數(shù)據(jù)輸入/輸出和顯示、單片 機控制、與PC機通訊等電路放置在基板上，微程序控制器、運算器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴展板上。1.5 課程設計的要求要求畫出系統(tǒng)模塊框圖：按從上到下的設計方法，將整個設計依功能劃分成若干模塊;并確定各個模塊的輸出、輸入端口及要完成的功能。檢查模塊邏輯功能是否正確；第2章基礎知識2.1概述計算機系統(tǒng)是包

8、括計算機硬件和軟件的一個整體，兩者不可分割，但處于不同的層次上。計算機系統(tǒng)的層次結構模型中，第 0層是硬件內核（邏輯線路），第1、2層是指令系 統(tǒng)和實現(xiàn)該指令系統(tǒng)所采用的技術（組合邏輯技術、微程序控制技術、PLA控制技術），第3、4層為系統(tǒng)軟件，第5層為應用軟件，第6層是系統(tǒng)分析。計算機組成原理涉及到的是 第0、1、2這3層。計算機硬件主要由運算器、存儲器、控制器和輸入 /輸出五個部件組成微處理器結構圖2-1微處理器結構（1）運算器是進行算術運算和邏輯運算的部件，運算數(shù)據(jù)以二進制格式給出，同時也是計算機內部數(shù)據(jù)信息的重要通路。運算器大體包括算術邏輯運算單元ALU通用寄存器組、專用寄存器以及附加

9、的控制線路(2)存儲器是存放數(shù)據(jù)和程序的部件。計算機中的存儲器按功能分為主存、輔存和高 速緩沖存儲器CACHE由這3類存儲器構成存儲系統(tǒng)的層次結構。(3)控制器是計算機的核心部件，協(xié)調計算機系統(tǒng)的正常工作，主要包括指令寄存器、 指令譯碼器和時序控制器等部件。(4)輸入輸出部件包括各類輸入輸出設備和相應的接口2.2主要技術要點2.2.1 ALU 部件ALU部件是一種能進行多種算術運算和邏輯運算的組合邏輯電路。它的基本邏輯結構 是先行進位加法器。74181是國際流行的4位ALU中規(guī)模集成電路，能對兩個 4位二進制 代碼進行16種算術運算和16種邏輯運算，這兩類運算由M信號選擇。16種運算又由S3s

10、2S1SM位控制選擇。用Cn表示ALU的最低位進位輸入，用Cn +4表示ALU的進位輸出 信號。2.2.2 . 存儲體靜態(tài)MO話儲器芯片由存儲體、地址譯碼和控制電路等部分組成。存儲體是存儲單元 的集合。地址譯碼器把二進制表示的地址轉換為譯碼輸入線上的高電位，驅動相應的讀寫 電路。控制器根據(jù)CPU合出的讀或寫命令，控制被選中的存儲單元讀出或寫入。2.2.3 控制器CPU的硬件完成的是讀取指令，分析指令后產生相應的控制信號，用于指令的執(zhí)行完 成。對指令的讀取和譯碼分析就是控制器的功能。控制器組成如下：(1)指令計數(shù)器：存放要執(zhí)行的下一條指令的地址。(2)指令寄存器：存放現(xiàn)行指令。(3)指令譯碼器：

11、對指令操作碼進行分析解釋，產生相應的控制信號給操作信號形成 部件。(4)脈沖源及啟?？刂齐娐罚好}沖源產生一定頻率的脈沖信號，作為整個機器的時鐘 脈沖，啟停線路可以開放或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生于停止，實現(xiàn)對機器的啟 動和停機。(5)時序信號產生部件：以時鐘脈沖為基礎，具體產生不同指令對應的周期、節(jié)拍、工作脈沖等時序信號。(6)操作控制信號形成部件：綜合時序信號、指令譯碼信息、被控功能部件反饋的狀 態(tài)條件信號等，形成不同指令所需要的操作控制信號序列。(7)中斷機構：對異常情況和外來請求處理。(8)總線控制邏輯：對總線信息傳輸控制。(9)操作控制信號形成部件產生指令所需要的操作控制信號序列

12、，用以控制計算機各部分的操作，它是整個控制的核心。該部件的組成可用微程序方式，也可用組合邏輯方式 或可編程邏輯陣列PLA方式。微程序控制方式的基本思想是把機器指令的每一操作控制步 編成一條微指令。微指令的格式可分為水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每一位代 表一個微命令，也即代表了操作控制信號。微指令序列稱為微程序，每一條機器指令對應 一段微程序。計算機指令系統(tǒng)所對應的所有的微程序存放在微程序存儲器中。每條微指令 具有唯一的微地址，執(zhí)行微程序時，采用微指令地址生成技術產生下一條微指令的地址。實用標準文案第3章系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1 模型機結構運算器ALU由U7-U10四片74LS181構成，暫

13、存器1由U3 U4兩片74LS237構成，暫 存器2由U5-U6兩片74LS237構成。微控器部分控存由U13-U15三片2816構成。除此之外， CPU的其它部分都由EP1K1C®成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。存儲器部分由兩片6116構成 16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為 00H-FFH輸出設備有底板上的四個LED數(shù)碼管及其譯碼器、驅動電路構成，當 D-G和W/R均為 低電平時將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。 在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及 兩個三態(tài)緩沖芯片74LS244構成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方式下，

14、數(shù)據(jù)可由鍵盤或上位機輸入，然后由監(jiān)控程序直接 送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入電路可因不用。實用標準文案圖3-1模型機結構3.2 程序設計原理3.2.1 數(shù)據(jù)格式及指令格式本模型機規(guī)定數(shù)據(jù)采用整數(shù)表示， 字長為16位。指令格式可設計四大類指令共16條, 其中包括算術邏輯指令、I/O指令、訪問及轉移指令和停機指令。1 .算術邏輯指令設計九條算術邏輯指令并用單字節(jié)表示， 尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：表3- 1算術邏輯指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，OP-CODE操作碼，RS為源寄存器，RM目的寄存器，并規(guī)定如表3.2所示:表3-2寄存器選擇定義RS或

15、RD選定的寄存器00R001R110R22 .訪問指令及轉移指令模型機設計兩條訪問指令，即存數(shù)、取數(shù)，轉移指令，無條件轉移（JMP）、指令格式如下:表33訪問、轉移指令格式文檔7 65 40 0M3 21 0OP-CODERDD其中，OP-COD囪操作碼，rd為目的寄存器地址。D為位移量，M為尋址模式，其定義如下:表3 4尋址模式定義尋址模式M功效地址E說明00E= D立即數(shù)尋址01E=(D)直接尋址10E=(PC)+D間接尋址3. I/O指令輸入(IN)和輸出(OUT腦令采用單字節(jié)指令，其格式如下:表35輸入輸出指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，addr=01

16、時，選中輸入設備，addr=10時，選中輸出設備3.2.2 指令系統(tǒng) 表3-6列出各條指令的格式、匯編符號和指令功能表3-6指令格式、匯編符號和指令功能匯編符號指令格式功能MOV rd, rsADD rd, rsSUB rd, rsINC rdAND rd, rsNOT rdROR rdROL rd1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rd rd1100 rs rd1101 rd rdrs- 一 rdrs+rd 一 rdrd-rs 一 rdrd+1 - rdrs /rd一 rdrd 一 rd1110 rd rd1111 rd rdAd 二 -rdMOVD, rd

17、MOV rd, D0010 00 rdD0010 01 rdDrd 一 DD 一 rdJMP DMOV rd, D0000 1000D0000 10 rdDA PCD- rdIN rd , KIN0100 10 rdKIN- rdOUT DISP, rd0100 01 rdRcH DISPrd或rs 00選擇寄存器Ax 01選擇寄存器BX 10選擇寄存器CX3.2.3 微指令設計表3-7列出了本次實驗所使用的微指令集微地址（八進制）微地址（二進制）微代碼（十六進制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE5070001110

18、15FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340110000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9401000000379C141100001010FC14

19、2100010011F4145100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011013003C1621100100003C1631100110025F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E103.3機器指令設計表3-8列出了本次實驗所使用的機器指令集地址（十六進制）機器指令（十六進制）助記符說明00 H0048 HI

20、N Ax , KIN輸入AX01 H0049HIN BX , KIN輸入BX02 H0094 HADD AX, BXAX+BX f AX03 H00D0HNOT AXNot (AX) 一 AX04 H00F0 HROL AXAX循環(huán)左移一位05 H0082 HMOV CX , AXAX f CX06 H0046HOUT DISP, CXCX 一 DISP07 H00A4 HSUB AX, BXAX- BX 一 AX08 H00D0 HNOT AXNot (AX) 一 AX09 H00E0HROR AXAX循環(huán)后移一位0A H0082HMOV CX , AXAX f CX0B H0046 HOU

21、T DISP, CXCX 一 DISP0C H0094 HADD AX, BXAX+BX f AX實用標準文案0D H0082HMOV CX , AXAX > CX0E H0046 HOUT DISP, CXCX > DISP0F H0008HJMP 00H00H一 PC10H0000H3.4聯(lián)機實驗3.4.1實驗流程01| PC-aARM+1PC->ARPC+1EARC41INOVTP1測試MS'ADDRAM >D BUS->1RSUBINC ANDNOT RORTo?RAWhD BUSD BUS->ARPC>ARPCTRAM-m BUSP2

22、M?JKIN(ID)27上加I01ourton|3ird->D BUSD_BUS->LT1* i兔 ra->D BUSLuOLrd->D BUSD_BUS->LT1lrs->D BUSD BCS->LT23Jrd->D_BUSD BUS->LT1kd-xrug rd-mg71D BUS->ARPZM.MOV(OD)TMPC I®1414025MOV f 01rd">D_BUSD BUS->RAtBUS-rd01D_lNPirr->D_BUSD BUS->idMaEED I01LTL*LT2-

23、>D BUS-：d卜BU&kdD BUS->LT2藍LTl*LT2->D BUS->fdrd->D BUSD 0CS->LT1口 BUS->PCLTl+l->D BUS->rd圖:微程序流程圖j rdr>seg 空rd->D_BUSD BUS->LT1D BUS->rd圖3-2微程序流程圖3.4.2實驗連線實用標準文案圖3-3實驗連線示意圖3.4.3實驗步驟(1)按照實驗指導說明書連接硬件系統(tǒng)；(2)啟動實驗軟件，打開實驗課題菜單，選中實驗課題并打開參數(shù)對話窗口；(3)微指令操作：寫：在編輯框中打開實驗指導書

24、中的微指令程序，將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0010”寫狀態(tài)，然后按"W"按鈕，微程序寫入控制存儲器電路，結果如圖 3-2所示。圖3-4 寫微指令讀：將實驗箱上的 K4K3K2K1撥至“0100”讀狀態(tài)，在“讀出微地址”欄中填入兩 位八進制地址，按" R'按鈕，則相應的微代碼顯示在“讀出微代碼”欄中，如圖 3-3所示圖3-5 讀取微指令保存：按“保存”按鈕，微程序代碼保存在一給定文件 （*MSM）中 打開：按“打開”按鈕，打開已有的微程序文件，并顯示在編輯框中,（4）機器指令操作：寫：在編輯框中打開自己預先編輯好的程序 zcc.asm,將實驗箱上的K

25、4K3K2K被至 “0101”運行狀態(tài)，撥動“ CLR開關對地址和微地址清零，然后按“ W按鈕，機器指令寫 入存儲器電路；（注：對于8位機，十六進制代碼為2位；對于16位機，十六進制代碼可 以是2位，也可以是4位。），結果如圖3-4所示。文檔圖3-6寫機器指令讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥至“0101”運行狀態(tài)，在“讀出指令地址”欄中 填入兩位十六進制地址，撥動“ CLR開關對地址和微地址清零，然后按“讀出”按鈕，結 果如圖3-5所示。君口 畫晅周I劇確定I圖3-7 讀機器指令保存：按“保存”按鈕，機器指令程序保存在一給定文件 （*ASM）中。打開：按“打開”按鈕，打開已有的機器指令程序文件，并顯示在編輯框中。單步：在運行狀態(tài)下運行程序前，先撥動“ CLR開關對地址和微地址清零，然后每按一次“單步”按鈕，執(zhí)行一條微指令?？蓮膶嶒炏涞闹甘緹艉惋@示LED觀察單步運行的結果。連續(xù)：在連續(xù)運行程序前，先撥動“ CLR開關對地址和微地址清零，然后按“連續(xù)”按鈕，可連續(xù)執(zhí)行程序。可從實驗箱的指示燈和顯示LED觀察連續(xù)運行的結果。程序中間會要求輸入數(shù)據(jù)：圖38輸入第一個數(shù)據(jù)圖39輸