計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)(下)

計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)（下）

ComputerOrganizationandArchitecture張慧dsdreport2012@信息科學(xué)與工程學(xué)院2014年2月27日課程安排理論課2學(xué)時(shí)。課程設(shè)計(jì)24學(xué)時(shí)。地點(diǎn)：計(jì)算中心。實(shí)驗(yàn)時(shí)間：同上課時(shí)間。每周四6-7節(jié)。實(shí)驗(yàn)考核最后一次上機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核。閉卷考試

時(shí)間待定課程內(nèi)容回顧計(jì)算結(jié)構(gòu)（上）接口電路的內(nèi)容，設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證一個(gè)POC電路。回顧計(jì)算結(jié)構(gòu)（上）微程序控制的內(nèi)容，設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證一個(gè)簡(jiǎn)單CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求其中控制器使用微程序方式完成。I/O模塊在計(jì)算機(jī)中，I/O模塊承擔(dān)在不同設(shè)備之間傳遞控制和數(shù)據(jù)信號(hào)的任務(wù)。針對(duì)CPU而言，I/O模塊承擔(dān)著CPU和外設(shè)的接口工作。I/O模塊承擔(dān)的工作經(jīng)常包括：指令譯碼數(shù)據(jù)狀態(tài)報(bào)告地址識(shí)別I/O操作I/O操作的三種技術(shù)方式編程I/OCPU對(duì)I/O發(fā)出命令，I/O模塊接收命令并相應(yīng)動(dòng)作。CPU需要周期檢查I/O模塊狀態(tài)。效率較低。中斷I/OI/O模塊準(zhǔn)備好時(shí)，會(huì)發(fā)送中斷信號(hào)給CPU。效率較高。DMAI/O模塊不經(jīng)過(guò)CPU直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)，減輕CPU的資源占用率。POC設(shè)計(jì)POC設(shè)計(jì)CPU與POC接口數(shù)據(jù)，地址，讀寫(xiě)控制，時(shí)鐘，中斷請(qǐng)求查詢方式：SR0一直為0.CPU通過(guò)合適的地址選中SR寄存器，查詢SR7信息，如果SR7=1，CPU選中BR寄存器，將要打印的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入BR,完成后CPU將SR7寄存器置為0，表明CPU已經(jīng)寫(xiě)入新數(shù)據(jù)且尚未被處理。POC如果檢測(cè)到SR7寄存器被置為0，開(kāi)始與外設(shè)（打印機(jī)）握手操作，操作完成后POC將SR7寄存器置為1，即“準(zhǔn)備好”狀態(tài)。POC設(shè)計(jì)CPU與POC接口中斷方式：SR0一直為1.POC將數(shù)據(jù)送至打印機(jī)后，除將SR7置為1（準(zhǔn)備好），表明發(fā)送中斷請(qǐng)求IRQ信號(hào)，CPU收到IRQ信號(hào)后，不再查詢SR7，直接選中BR，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入BR，然后CPU將SR7置為0，表明CPU已經(jīng)寫(xiě)入新數(shù)據(jù)且尚未被處理。POC如果檢測(cè)到SR7被置為0，表明收到新數(shù)據(jù)，開(kāi)始與外設(shè)（打印機(jī)）握手操作，操作完成后POC將SR7置為1，由于SR0=1，使得IRQ信號(hào)拉低為低電平0，即發(fā)出中斷請(qǐng)求。POC設(shè)計(jì)POC與打印機(jī)接口當(dāng)打印機(jī)準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)時(shí)，打印機(jī)將RDY置為1，等待新的數(shù)據(jù)從POC送來(lái)。POC完成與CPU的握手后，將數(shù)據(jù)送到PD端口。POC檢測(cè)到打印機(jī)的RDY=1，在TR發(fā)送脈沖，表明發(fā)送請(qǐng)求，打印機(jī)檢測(cè)到TR后，將RDY置為0，接收PD的數(shù)據(jù)送至打印。延遲一段時(shí)間，打印完成后，打印機(jī)又將RDY置為1，表明準(zhǔn)備好。POC設(shè)計(jì)要求POC模塊必須同時(shí)支持查詢方式和中斷方式，可以根據(jù)需要切換選擇兩種方式中的一種。為了有效的仿真驗(yàn)證，必須設(shè)計(jì)一個(gè)Processor模塊，與POC聯(lián)合進(jìn)行仿真。打印機(jī)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，用來(lái)配合POC的驗(yàn)證。完成后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人獨(dú)立完成。提交信箱：dsdreport2012@報(bào)告于第5周上課前提交。提交格式：Word或PDF格式。提交郵件請(qǐng)按下列主題標(biāo)注：

計(jì)算結(jié)構(gòu)POC報(bào)告040***姓名。（注：請(qǐng)將***用自己的學(xué)號(hào)替代，將“姓名”用自己的姓名替代）。CPU設(shè)計(jì)此部分要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU。該CPU擁有基本的指令集，并且能夠使用指令集運(yùn)行簡(jiǎn)單的程序。另外，CPU的控制器部分（CU）要求必須采用微程序設(shè)計(jì)方式。CPU結(jié)構(gòu)取指：CPU要從存儲(chǔ)器中讀取指令。譯碼：必須翻譯指令用以確定要執(zhí)行的操作。取數(shù)據(jù)：指令的執(zhí)行可能會(huì)要求從存儲(chǔ)器或I/O模塊中讀取數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)：指令的執(zhí)行可能會(huì)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算操作寫(xiě)數(shù)據(jù)：指令執(zhí)行的結(jié)果可能需要寫(xiě)入存儲(chǔ)器或者I/O模塊中。CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)部寄存器MAR（MemoryAddressRegister）MAR存放著要從存儲(chǔ)器中讀取或要寫(xiě)入存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器地址。此處，“讀”定義為CPU從內(nèi)存中讀?！皩?xiě)”定義為CPU把數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存。本課程的設(shè)計(jì)中，MAR擁有8比特，可以存取256個(gè)地址。CPU內(nèi)部寄存器MBR（MemoryBufferRegister）MBR存儲(chǔ)著將要被存入內(nèi)存或者最后一次從內(nèi)存中讀出來(lái)的數(shù)值。本課程的設(shè)計(jì)中，MBR有16比特。PC（ProgramCounter）PC寄存器用來(lái)跟蹤程序中將要使用的指令。本課程中，PC有8比特。CPU內(nèi)部寄存器IR（InstructionRegister）IR存放指令的OPCODE（操作碼）部分。本課程中，IR有8比特。BR（BufferRegister）BR作為ALU的一個(gè)輸入，存放著ALU的一個(gè)操作數(shù)。本課程中，BR有16比特。ACC（Accumulator）ACC保存著ALU的另一個(gè)操作數(shù)，而且通常ACC存放著ALU的計(jì)算結(jié)果。本課程中，ACC有16比特。CPU指令集本課程中，采用單地址的指令集結(jié)構(gòu)。指令字包括兩部分：操作碼（OPCODE），用來(lái)定義指令的功能；地址段(AddressPart),用來(lái)存放要被操作的指令的地址。稱之為直接尋址（DirectAddressing）。在一些少量的指令中，地址段就是操作數(shù)，這是立即數(shù)尋址（ImmediateAddressing）。CPU指令集簡(jiǎn)化起見(jiàn)，內(nèi)存的大小為256*16.指令字有16比特，其中操作碼部分8比特，地址段8比特。CPU指令集ALUALU是用來(lái)執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作的單元。幾乎所有的操作都是將相應(yīng)的數(shù)據(jù)帶到ALU來(lái)進(jìn)行處理，然后把結(jié)果取出。存儲(chǔ)器（Memory）微程序控制器設(shè)計(jì)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)微程序控制器設(shè)計(jì)控制器的控制存儲(chǔ)器（CM）中存放有每一個(gè)指令對(duì)應(yīng)的微程序，微程序包含若干行，每行都是一個(gè)微指令。0和1代表著斷和通。對(duì)每一個(gè)微指令而言，控制器做的就是生成一系列控制信號(hào)來(lái)控制相關(guān)寄存器的操作?？刂频刂芳拇嫫鳎–AR）控制著下面要讀取哪一條微指令，也就是讀取哪一個(gè)地址，從CM中讀取了一條微指令就相當(dāng)于執(zhí)行了若干個(gè)控制信號(hào)?？刂破髟O(shè)計(jì)需要根據(jù)CPU的結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計(jì)來(lái)決定實(shí)際需要的控制信號(hào)，下面給出一個(gè)例子用來(lái)體現(xiàn)該過(guò)程。該例是LOAD指令的設(shè)計(jì)?？刂破髟O(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)CPU設(shè)計(jì)要求獨(dú)立設(shè)計(jì)微程序控制器及外圍的各寄存器。使用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的1+2+…+100和相應(yīng)的乘法例子來(lái)驗(yàn)證程序的正確性與完整性。要求完成并支持指令集中列出的除了除法意外的所有指令。不得隨意增加CPU內(nèi)寄存器，不能隨意增加控制器到各寄存器的控制線。必須采用微程序方式設(shè)計(jì)控制器，否則不予通過(guò)。CPU設(shè)計(jì)要求完成后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人獨(dú)立完成。提交信箱：dsdreport2012@報(bào)告于課程結(jié)束后1周內(nèi)提交。提交格式：