計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)1111

1、第1章 設(shè)計(jì)分析1.1設(shè)計(jì)題目基本模型機(jī)的存儲(chǔ)器邏輯框圖設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)目的1.鞏固和加深所學(xué)的硬件系統(tǒng)知識(shí)，學(xué)習(xí)和掌握硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2.掌握計(jì)算機(jī)各模塊的原理和相互關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。3.利用基本模型機(jī)的構(gòu)建與調(diào)試，完整地建立計(jì)算機(jī)硬件的整機(jī)模型，掌握CPU的基本結(jié)構(gòu)和控制流程，掌握指令執(zhí)行的基本過(guò)程。4.掌握計(jì)算機(jī)功能模塊的原理和關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)。為其定義五條機(jī)器指令，并編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念1.3設(shè)計(jì)環(huán)境和工具TDN-CM組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),排線若干和PC微機(jī)一臺(tái)1.4 設(shè)計(jì)任

2、務(wù)1.掌握CISC微控制器功能與微指令格式2.設(shè)計(jì)五條機(jī)器指令,并編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的微程序3.在TDN-CM+教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中調(diào)試機(jī)器指令程序,確認(rèn)運(yùn)行結(jié)果1.5 設(shè)計(jì)要求1.掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熟練操作2.完成模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)線路連接3.調(diào)試模型機(jī)，并記錄下實(shí)驗(yàn)結(jié)果第2章 概要設(shè)計(jì)部件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各部件單元的控制信號(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次課程設(shè)計(jì)將在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各個(gè)部件單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這本次課程設(shè)計(jì)里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序。而微程序由設(shè)計(jì)者自己寫(xiě)入微控

3、制存儲(chǔ)器中或者聯(lián)機(jī)讀入程序。2.1 機(jī)器指令定義本次采用五條機(jī)器指令：IN(輸入)，ADD(二進(jìn)制加法)，STA(存數(shù))，OUT(輸出)，JMP(無(wú)條件轉(zhuǎn)移)。其指令格式如下(前4位為操作碼)：助記符 機(jī)器指令碼 說(shuō)明 IN 00000000 “INPUT DEVICE”中的開(kāi)關(guān)狀態(tài) R0 ADD addr 0001 0000 R0+addr R0 STA addr 0010 0000 R0 addr OUT addr 0011 0000 addr LED JMP addr 0100 0000 addr PC其中IN為單字長(zhǎng)(8位)，其余為雙字長(zhǎng)指令，為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。為了向RAM

4、中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫(xiě)入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序：* 存儲(chǔ)器讀操作(KRD)：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA為“0 0”時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。* 存儲(chǔ)器寫(xiě)操作(KWE)：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA置為“0 1”時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)可對(duì)RAM進(jìn)行連續(xù)手動(dòng)寫(xiě)入。* 啟動(dòng)程序：撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR后，控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA置為“1 1”時(shí)，按START微動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開(kāi)關(guān) SWB,SWA的狀態(tài)來(lái)設(shè)置，其定義如下：表2.1 控制臺(tái)命

5、令SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存(KRD)寫(xiě)內(nèi)存(KWE)啟動(dòng)程序(RP)2.2 數(shù)據(jù)通路框圖圖 2.1 數(shù)據(jù)通路框圖2.3 微代碼定義表2.2 微代碼格式其中A、B、C 字段的代碼格式如下：表 2.3 A、B、C字段代碼格式2.4 微程序流程系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖：圖 2.2 微程序流程圖1圖2.3 微程序流程圖2當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P(1)測(cè)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(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位(IR7一IR4)作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元。對(duì)于每一指令分別予以微程

6、序解釋?？刂婆_(tái)操作為P(4)測(cè)試，它以控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB，SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元隨意填寫(xiě)。注意：微程序流程圖上的單元地址為8進(jìn)制。指令寄存器(IR)：指令寄存器用來(lái)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(shí)，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(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P(1)，通過(guò)節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶钭g碼器” (實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)根據(jù)指令中的操作碼

7、譯碼強(qiáng)置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。2.5 二進(jìn)制微代碼表表 2.4 二進(jìn)制微代碼表八進(jìn)制二 進(jìn) 制 格 式十 六 進(jìn) 制 格 式微地址S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A0微地址微指令內(nèi)容00Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 000H018110H01Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 001H01ED82H02Q0 0 0 0 0 0 0 0 11000000010 0 1 0 0 002H00C048H03Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 0

8、1 0 003H00E004H04Q0 0 0 0 0 0 0 0 10110000000 0 0 1 0 104H00B005H05Q0 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 005H01A206H06Q1 0 0 1 0 1 0 1 10011010000 0 0 0 0 106H959A01H07Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 0 107H00E00DH10Q0 0 0 0 0 0 0 0 00010000000 0 0 0 0 108H001001H11Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0

9、0 1 109H01ED83H12Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 1 1 10AH01ED87H13Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 1 1 1 00BH01ED8EH14Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 1 00CH01ED96H15Q0 0 0 0 0 0 1 0 10000010000 0 0 0 0 10DH028201H16Q0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 0 1 1 1 10EH00E00FH17Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100000000 1 0

10、1 0 10FH00A015H20Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 0 1 010H01ED92H21Q0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 1 0 1 0 011H01ED94H22Q0 0 0 0 0 0 0 0 10100001000 1 0 1 1 112H00A117H23Q0 0 0 0 0 0 0 1 10000000000 0 0 0 0 113H018001H24Q0 0 0 0 0 0 0 0 00100000000 1 1 0 0 014H002018H25Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 0 0

11、0 0 115H070A10H26Q0 0 0 0 0 0 0 0 11010001100 0 0 0 0 116H00D181H27Q0 0 0 0 0 1 1 1 00001010000 1 0 0 0 017H070A10H30Q0 0 0 0 0 1 1 0 10001010000 1 0 0 0 118H068B11H2.6 設(shè)計(jì)說(shuō)明本系統(tǒng)有兩種外部IO設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開(kāi)關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE)：另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備(OUTPUT DEVICE)。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)三態(tài)門(mén)送到總線上，只要開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將

12、輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫(xiě)信號(hào)(WR)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下：地 址（二進(jìn)制）機(jī)器指令碼 助記符 說(shuō) 明 0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE(班號(hào))”R0 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AH R0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R00BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH LED 0000 0110 0000 1011

13、0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H PC 0000 1000 0000 0000 0000 1001 0000 1010 0000 1001 學(xué)號(hào)(20號(hào)同學(xué)) 0000 1011 求和結(jié)果(班號(hào)加學(xué)號(hào))第3章 設(shè)計(jì)步驟3.1實(shí)驗(yàn)線路連接圖 試驗(yàn)時(shí)按照如下所示電路圖連接:圖 3.1 設(shè)計(jì)接線圖3.2寫(xiě)程序 3.2.1 手動(dòng)寫(xiě)入1、先將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確地寫(xiě)入2816中，由于在微程序控制實(shí)驗(yàn)中已將微代碼寫(xiě)入E2PROM芯片中，對(duì)照表5校驗(yàn)正確后就可使用。2、使用控制臺(tái)KWE和KRD微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。A.使編程開(kāi)關(guān)處于“RUN，STEP為“STE

14、P”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。B撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR(01)，微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制臺(tái)SWB，SWA開(kāi)關(guān)置為“01”，按動(dòng)一次啟動(dòng)開(kāi)關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動(dòng)一次START，微地址燈顯示“010100。此時(shí)，數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)的內(nèi)容置為要寫(xiě)入的機(jī)器指令，按動(dòng)兩次START鍵后，即完成該條指令的寫(xiě)入。若仔細(xì)閱讀KE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址總清后為零，以后每個(gè)循環(huán)PC會(huì)自動(dòng)加1，所以，每次按動(dòng)START，只有在微地址燈顯示“010100”時(shí)，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機(jī)器指令寫(xiě)完。C寫(xiě)完程序后須進(jìn)行校驗(yàn)。撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR(01)后，微地址清零。P

15、C程序計(jì)數(shù)器清零，然后使控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB，SWA為“00”，按動(dòng)啟動(dòng)START，微地址燈將顯示“010000”；再按START，微地址燈顯示為“010010；第3次按START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時(shí)輸出單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷按動(dòng)START，以后每個(gè)循環(huán)PC會(huì)自動(dòng)加1，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。每次在微地址燈顯示為“010000”時(shí)，是將當(dāng)前地址中的機(jī)器指令寫(xiě)入到輸出設(shè)備中顯示。 聯(lián)機(jī)讀寫(xiě)程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表5微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的如下格式文件。微指令格式中的微指令代碼為將表5中的24位微代碼按從左到右分成3個(gè)8位，將此3個(gè)8位二

16、進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。 程 序 $P4000 $P4110 $P420A機(jī)器指令格式說(shuō)明：$P 機(jī)器指令代碼 十六進(jìn)制地址 $P4320 $P440B $P4530微指令格式說(shuō)明：$M 微指令代碼 十六進(jìn)制地址 $P460B $P4740 $P4800 $P4A01 微程序 $M00018110$M0901ED83$M1200A017 $M0101ED82$M0A0IED87 $M13018001 $M0200C048 $M0B01ED8E $M14002018 $M0300E004 $M0C01ED96 $M15070A01 $M0400B005 $N0D028201$M1600

17、D181 $M0501A206 $M0E00E00F$M17070A10 $M06959A01 $M0F00A015$M18068A11 $M0700E00D $M1001ED92$M18068A11$M08001001 $M1101ED94用聯(lián)機(jī)軟件的傳送文件功能(F4)將該格式文件傳入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即可。3.3運(yùn)行程序 單步運(yùn)行程序A 使編程開(kāi)關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。B 撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān)CLR(01)，微地址清零，程序計(jì)數(shù)器清零。程序首址為00H。C 單步運(yùn)行一條微指令，每按動(dòng)一次START鍵，即單步運(yùn)行一條微指令。對(duì)照微程序流程圖，觀察微地址顯示

18、燈是否和流程一致。D 當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元(0BH)中的結(jié)果是否和理論值一致。 連續(xù)運(yùn)行程序A 使“STATE UNIT”中的STEP開(kāi)關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)。STOP開(kāi)關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。B 撥動(dòng)CLR開(kāi)關(guān)，清微地址及程序計(jì)數(shù)器，然后按動(dòng)START，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。C 停機(jī)后，可檢查存數(shù)單元(0BH)結(jié)果是否正確。3.4 聯(lián)機(jī)運(yùn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，裝在機(jī)器指令及微指令后，選擇【運(yùn)行】-【通路圖】-【復(fù)雜模型機(jī)】 功能菜單打開(kāi)相應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行，監(jiān)控，調(diào)試程序。 總清開(kāi)關(guān)CLR清零(1-0-1)后，將

19、使程序首址及微程序地址為00H，程序可從頭開(kāi)始運(yùn)行。3.4.1 啟動(dòng)微機(jī)步驟 微控器編程開(kāi)關(guān)撥至RUN,“STEP”STEP,“STOP”RUN 實(shí)驗(yàn)箱利用COM1口與微機(jī)連接，實(shí)驗(yàn)箱加電，啟動(dòng)微機(jī)：進(jìn)入安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目錄，例如D：CMP；對(duì)實(shí)驗(yàn)箱復(fù)位；運(yùn)行CMP.EXE，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境；選F4：加載CMPEX1，完成后ESC鍵退出；EX1文本文件內(nèi)容如下： 機(jī)器指令程序$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A09 機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序：$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004

20、$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D $M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018 $M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11選F2：鍵入地址0AH，將0AH內(nèi)容改為學(xué)號(hào)，并用ESC鍵退出；選F6：進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)關(guān)置入班號(hào)，將實(shí)驗(yàn)箱啟動(dòng)地址清零（CLR：101）：1）選擇F2進(jìn)入單步運(yùn)行狀態(tài)；2

21、）選擇F3進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)；若運(yùn)行不正確，首先檢查連線有無(wú)錯(cuò)誤； 若運(yùn)行正確，將在數(shù)據(jù)通路的“OUTPUT”模塊看到十六進(jìn)制的結(jié)果： “班號(hào)+學(xué)號(hào)”采用單步或連續(xù)運(yùn)行方式執(zhí)行機(jī)器指令程序，請(qǐng)參照機(jī)器指令程序及微程序流程圖，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與程序的理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)器指令程序的正確性。第4章 運(yùn)行結(jié)果與分析4.1 運(yùn)行結(jié)果圖 4.1 運(yùn)行結(jié)果圖 鍵入地址0AH，將0A內(nèi)容改為學(xué)號(hào)14H，用開(kāi)關(guān)置入班號(hào)，結(jié)果OUTPUT為16H。4.2 運(yùn)行結(jié)果分析機(jī)器指令A(yù)DD的理論計(jì)算過(guò)程計(jì)算機(jī)1082班, 第20號(hào)同學(xué), 班號(hào)=02H，學(xué)號(hào)=14H, F=X加Y(算術(shù)加)X=R0=班號(hào)= 0

22、0000010B=02H Y=M0A=學(xué)號(hào)=00010100B=14HADD 0AH，R0功能：R0加M0AHR000000010B 加 00010100B 00010110B =16H第5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)5.1 機(jī)器指令的微程序IN:01H: 01ED82H02H: 00C048H10H: 01ED92HADD:01H02H11H03H04H05H06HSTA:01H02H12H07H15HOUT:01H02H13H16H17H25HJMP:01H02H14H26H5.2 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我更進(jìn)一步了解了計(jì)算機(jī)的組成，線路的連接與模型機(jī)的各個(gè)硬件的結(jié)構(gòu)，同時(shí)初步掌握了微程序

23、微指令的一些編制與設(shè)計(jì)。從一種微觀的角度更加了解計(jì)算機(jī)模型機(jī)，也逐漸建立起整機(jī)概念。這次課程設(shè)計(jì)使我從中獲益匪淺。對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)有了更深刻的理解，對(duì)于以前一知半解的東西也有了充分的理解。因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)是要求將以前在課堂上學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中去，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們一定會(huì)碰到各種各樣的問(wèn)題。但是為了解決這些問(wèn)題，我們一定會(huì)更加仔細(xì)認(rèn)真的去翻閱自己以前學(xué)過(guò)但是以為已經(jīng)了解熟悉的東西。這在無(wú)形中幫助我們加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的了解及運(yùn)用能力，并且讓我們明白什么地方是我們真正需要去關(guān)注的。而且這樣我們對(duì)課本以及以前學(xué)過(guò)的知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)與理解。而課程設(shè)計(jì)需要我們不但通過(guò)翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)而且需要查閱更多的相關(guān)信息，如去圖書(shū)館查閱相關(guān)的書(shū)籍，去網(wǎng)上搜索相關(guān)的材料，最終確立了設(shè)計(jì)方案。在模型機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中我碰到了許多問(wèn)題，而這些問(wèn)題都是需要我認(rèn)真仔細(xì)才能檢查出來(lái)，而且，這些設(shè)計(jì)是要通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)才能