計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)組成原理設(shè)計(jì)題目：基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院系：信息技術(shù)學(xué)院班級：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)3班設(shè)計(jì)者：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：昆明學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）任務(wù)書姓名：院（系）：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)號：任務(wù)起止日期：課程設(shè)計(jì)題目：基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)要求:本課程設(shè)計(jì)以ZYE1603B計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺，設(shè)計(jì)完成。1 .按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。2 .設(shè)計(jì)給定機(jī)器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3 .連接邏輯電路完成啟動(dòng)、測試、編程、測試、效驗(yàn)和運(yùn)行，并觀測運(yùn)

2、行過程及結(jié)果。4 .將微程序控制器模塊與運(yùn)算器模塊，存儲器模塊聯(lián)機(jī)，組成一臺模型計(jì)算機(jī)。5 .用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。6 .通過在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡單程序，掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系，建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念，掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。7 .按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼，按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序。在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序，裝載代碼到ZYE1603B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。工作計(jì)劃及安排：2017年6月19日上午：集中進(jìn)行課程設(shè)計(jì)題目的講解和分解，提出學(xué)生需要掌握的硬件和軟件方面的知識和要求；以及在課程設(shè)計(jì)

3、期間的安全和紀(jì)律要求，熟悉開發(fā)環(huán)境（ZYE1603B（4401機(jī)房）。2017年6月19日下午：查閱資料、確定題目，了解各人（小組）設(shè)計(jì)安排，就設(shè)計(jì)過程進(jìn)行集中講解，解決設(shè)計(jì)過程存在的問題。2017年6月20日6月22日：在機(jī)房進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2017年6月23日上午：分組討論，進(jìn)行交流，了解學(xué)生的掌握情況，對本周的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)，對后續(xù)的設(shè)計(jì)提出要求；對存在的問題進(jìn)行分析和解決。（機(jī)房）。2017年6月23日下午：答辯，成績評定。指導(dǎo)教師簽字2017年6月19日課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）成績5指導(dǎo)教師:課程設(shè)計(jì)題目：基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總結(jié):指導(dǎo)教師評語:成績:填表時(shí)間:指導(dǎo)教師簽名:目錄課程設(shè)計(jì)

4、（大作業(yè)）報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的1. 在“微程序控制器的組成與微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其中各單元組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺模型計(jì)算機(jī)。2. 本實(shí)驗(yàn)定義五條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行，形成整機(jī)概念。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一臺基本模型機(jī)，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的指令。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求本課程設(shè)計(jì)以TDN-CM+算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺設(shè)計(jì)完成。1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng),設(shè)計(jì)一個(gè)微程序控制器。2. 設(shè)計(jì)給定機(jī)器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖,按微指令格式寫出微程序的為指令代碼。3. 連接邏輯電路完成啟動(dòng),測試,編程,測試,效驗(yàn)和運(yùn)行,并觀測運(yùn)行過程及結(jié)果。4. 將微程序控制器模塊與

5、運(yùn)算器模塊,存儲器模塊聯(lián)機(jī),組成一臺模型計(jì)算機(jī)。5. 用微程序控制器控制模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路。6. 通過在模型機(jī)上運(yùn)行由機(jī)器指令組成的簡單程序,掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)的概念,掌握計(jì)算機(jī)的控制機(jī)制。7. 按指定的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行匯編指令格式及功能設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器指令代碼,按照模型機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令功能的微程序.在PC機(jī)上編輯機(jī)器指令和微程序，裝載代碼到TDN-CM+實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及分析（1）設(shè)計(jì)任務(wù)：從輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)X并將其存入以A為間接地址的內(nèi)存單元，將X與R.寄存器中的內(nèi)容Y執(zhí)行X?，結(jié)果送到以B為直接地址的內(nèi)存單元保存。（2）分析：A

6、:給R0寄存器直接置入01H.B：從數(shù)據(jù)開關(guān)給間接地址為0CH的內(nèi)存單元置數(shù)，（03H）.C:給R0中的內(nèi)容取反，結(jié)果存在R中.D：將間接地址0CH中直接地址0EH中的內(nèi)容（03H）放入DR1中，R0中的內(nèi)容放入DR2中，將DR1和DR2#的數(shù)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果放在R中.E:將R0中的內(nèi)容存在直接地址為0DH的內(nèi)存單元中.四、設(shè)計(jì)原理模型機(jī)在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(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完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序。本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令：IN

7、（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移），其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機(jī)器指令碼說明IN00000000“INPUTDEVICE中的開關(guān)狀態(tài)fROADDaddr00010000X乂乂乂乂乂乂乂進(jìn)制加法，R0+addrfR0STAaddr00100000XXXXXXXX存數(shù)，RO->addrOUTaddr00110000X乂乂乂乂乂乂乂輸出，addrBUSJMPaddr01000000X乂乂乂乂乂乂乂無條件轉(zhuǎn)移，addrfPC其中IN為單字長（8位）指令，其余為雙字長指令，XXXXXXXX為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通

8、路圖(如圖1所示)和指令的要求定義微代碼如下:微程序24212019181716151312109761控制信號S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0表1微代碼定義A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表2A、B、P字段表中AA5AA0為6位后續(xù)微地址，ARC為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯碼出

9、多位。P字段中的P(1)P(4)是四個(gè)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。B字段中的RS-RRD-BRI-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)器指令來進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0R1及R2的選通譯碼。A字段中的LDRI為從輸入設(shè)備組件中讀入數(shù)據(jù)使能控制信號。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(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，必須對操作碼進(jìn)行測試P(1)

10、,通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶罴拇嫫鳌?實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INSDECODE的芯片)根據(jù)指令中的操作碼譯碼結(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。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(INPUTDEVICE);另一種是數(shù)碼管，它作為輸出設(shè)備(OUPUDEVICE例如：輸入時(shí)，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(shí)，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(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，在數(shù)碼管顯示。(1) 運(yùn)算器。運(yùn)算器又由運(yùn)算邏輯單元、數(shù)據(jù)暫存器、通用寄存器組成。在圖1模

11、型機(jī)的結(jié)構(gòu)圖中，ALUALU_GF口74299組成運(yùn)算邏輯單元，其中ALU是由2個(gè)4位的74LS181串聯(lián)成8位的運(yùn)算器，ALU_GtALU-G實(shí)現(xiàn)用于控制ALU的運(yùn)算結(jié)果的輸出，74299用74LS299實(shí)現(xiàn)用于對ALU的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行移位運(yùn)算；數(shù)據(jù)暫存器在圖1中由DR1和DR2組成，DR1和DR州是用74LS273實(shí)現(xiàn)，它們用于存儲運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)；通用寄存器在圖1中由R。R1和R2組成，RRR1和R2都是用74LS374實(shí)現(xiàn)，它們用作目的寄存器和源寄存器。(2) 控制器?？刂破饔晌⒊绦蚩刂破?、指令寄存器、地址寄存器和程序計(jì)數(shù)器組成。在圖1中微程序控制器表示為MControl,它里

12、面存放了指令系統(tǒng)對應(yīng)的全部微程序，微程序控制器是由微控制存儲器和3個(gè)138譯碼器實(shí)現(xiàn)(A13&B138和P138),用于產(chǎn)生控制信號來控制各個(gè)組件的工作狀態(tài)；在圖1中指令寄存器表示為IR,指令寄存器由一個(gè)74LS273實(shí)現(xiàn)，用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令；在圖1中地址寄存器表示為AR地址寄存器由一個(gè)74LS273實(shí)現(xiàn)，在讀取或者寫入存儲器時(shí)用于指明要讀取或?qū)懭氲牡刂?；程序?jì)數(shù)器在圖1中由PC_3口PC組成，其中PC是由八位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，用于產(chǎn)生程序指針pc的下一個(gè)值，PC_GttPC-G實(shí)現(xiàn)，用于存儲程序的程序指針pc的值。(3) 存儲器。存儲器在圖1中表示為MEN存儲器用靜態(tài)隨機(jī)

13、存儲器6116實(shí)現(xiàn)，用來存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。(4) 數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線用于連接運(yùn)算器、存儲器、輸入輸出等模塊，數(shù)據(jù)總線由ccp_DataBus實(shí)現(xiàn)。(5) 輸入輸出。輸入輸出類似于鍵盤和顯示器。(6) 時(shí)序產(chǎn)生器。在圖1中T1、T2、T3和T4等控制信號都是由時(shí)序產(chǎn)生器生產(chǎn)，時(shí)序產(chǎn)生器由時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，時(shí)序產(chǎn)生器一個(gè)周期中產(chǎn)生四個(gè)脈沖信號T1T4,這四個(gè)脈沖信號用于控制組件的執(zhí)行順序，組件在這些信號的控制下有序的執(zhí)行，一個(gè)周期中完成一條微指令的執(zhí)行。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如圖1所示，當(dāng)擬定“取指令”微指令時(shí)，該微指令的判別測試字段為P1測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微

14、指令，因此P1測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本次課程設(shè)計(jì)用指令寄存器的前4位(I7-I4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元?？刂婆_操作為P4測試，它以控制臺開關(guān)SWBSW卻為測試條件，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。當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢之后，應(yīng)將每條微指令代碼化：當(dāng)全部微程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表3即為將圖2的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的二進(jìn)制微代碼表。微地址S3S2S1S0MCNWEM17M16ABPaA5科A000000000011000000100010000010

15、000000111101101100000100200000000110000000100100003000000001110000000000100040000000010110000000001010500000001101000100000011006100101011001101000000001070000000011100000000011011000000000000100000000000111000000011110110110000011120000000111101101100001111300000001111011011000111014000000011110110

16、110010110150000001010000010000000011600000000111000000000111117000000001010000000010101200000000111101101100100102100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000

17、001101000101000010000表3二進(jìn)制代碼表運(yùn)行:0101圖2微程序流程圖五、操作步驟1.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下表所示地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）助記符說明0000000000000000IN:將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000000100100000STA08HR0->08H0000001000001000地址0000001100110000OUT08H08H>BUS0000010000001000地址0000010101000000JMP00H00H>PC0000011000000000跳轉(zhuǎn)地址實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令解釋表地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）助記符說

18、明0000000000000000IN將輸入數(shù)據(jù)送R0寄存器0000000100010000ADD0AHRO+0AH>R00000001000001010地址0000001100100000STA0BHR0>0BH0000010000001010地址0000010100110000OUT0BH0BH>LED0000011000001011地址0000011101000000JMP00H00H>PC0000100000000000跳轉(zhuǎn)地址0000101000000001加數(shù)，可自定00001011求和結(jié)果保存在0B單兀中實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令解釋表2.根據(jù)下圖連接線路算術(shù)

19、邏料年元Al.U G ZMIJ>DW2 LDDH1Av寄存器單元PU_GLDAKLOAD LDPCVI匚Hin- O微控制借單元m c LDH。LDJH CH1 PC.GLDAR LOAD LDPC地址指針單元*IUH7 H -i CE.R.O *E-H.IWART*-存儲舞單元A£0O LDIR指令單元V9 r-vVE O,E一1LMur *O TE一輸出單元¥G 口 tJ O SW_C 輸入單元;=>!>基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)接線圖3 .聯(lián)機(jī)寫程序按照規(guī)定格式，將機(jī)器指令及表3微指令二進(jìn)制表編輯成十六進(jìn)制的規(guī)定格式文件。微指令格式中的微指令代碼為將表3中的24

20、位微代碼按從左到右分成3個(gè)8位，將此三個(gè)8位二進(jìn)制代碼化為相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)即可。使用聯(lián)機(jī)軟件的文件裝載將實(shí)驗(yàn)程序和微程序下載到實(shí)驗(yàn)箱中，并用軟件的讀出功能進(jìn)行檢查。其中參考程序一對應(yīng)的文件名為“基本模型機(jī)”，參考程序二對應(yīng)的文件名為“基本模型機(jī)”。實(shí)驗(yàn)一的機(jī)器指令：$P0000$P0120$P0208$P0330$P0408$P0540$P0600實(shí)驗(yàn)二的機(jī)器指令：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01微程序（以上兩程序公用）：$M00018110$M0300E004$M06959A01$M0901ED83$M0

21、C01ED96$M0F00A015$M1200A017$M15070A01$M18068A11$M0101ED82 $M0400B005 $M0700E00D $M0A01ED87 $M0D028201 $M1001ED92 $M $M $M1600D181$M0200C048$M0501A206$M08001001$M0B01ED8E$M0E00E00F$M1101ED94$M17070A104 .聯(lián)機(jī)運(yùn)行首先使各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)為：SIGNALUNIT中白SP03開關(guān)設(shè)置為“STEP狀態(tài)，SP04開關(guān)設(shè)置為“RUN狀態(tài)；CONTROLUNI的開關(guān)SP05處于“NORM狀態(tài)，SP06處于“RUN狀態(tài)；開關(guān)單元的開關(guān)SWBSWAJ“11”。使開關(guān)單元白總消開關(guān)CLR（1c