1、計算機組成原理課程設計課程設計名稱：計算機組成原理設計項目名稱：基本模型機設計與實現 專 業：計算機科學與技術班 級： 計科1152014年6月13日一、課程設計的教學目的 本課程設計的教學目是在掌握計算機系統的組成及內部工作機制,理解計算機各功能部件工作原理的基礎上,進一步加深計算機系統各模塊間相互關系的認識和整機的概念,在設計實踐中提高應用所學專業知識分析問題和解決問題的能力。學會微程序的設計方法，進一步掌握微程序控制器的工作原理，并體會設計方案的優劣對性能發揮的重要性,培養科學研究的獨立工作和創新能力，取得設計與調試的實踐經驗。二、課程設計任務和基本要求本課程設計以TDN-CM+計算機組

2、成原理教學實驗系統為平臺設計完成。1. 按給定的數據格式和指令系統,設計一個微程序控制器。2. 設計給定機器指令系統以及微程序流程圖,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,測試,編程,測試,效驗和運行,并觀測運行過程及結果。4. 將微程序控制器模塊與運算器模塊,存儲器模塊聯機,組成一臺模型計算機。5. 用微程序控制器控制模型機的數據通路。6. 通過在模型機上運行由機器指令組成的簡單程序,掌握機器指令與微指令的關系,建立計算機整機的概念,掌握計算機的控制機制。7. 按指定的應用項目進行匯編指令格式及功能設計,并設計相應的機器指令代碼,按照模型機數據通路設計實現機器指令功

3、能的微程序.在PC機上編輯機器指令和微程序,裝載代碼到TDN-CM+實驗系統并運行,實現應用要求。三、設計任務及分析：(1)設計任務: 從輸入設備讀取數據X并將其存入以A為間接地址的內存單元，將X與R0.寄存器中的內容Y執行X，結果送到以B為直接地址的內存單元保存。(2)分析: A:給R0寄存器直接置入01H. B:從數據開關給間接地址為0CH的內存單元置數,(03H). C:給R0中的內容取反,結果存在R0中. D:將間接地址0CH中直接地址0EH中的內容(03H)放入DR1中, R0中的內容放入DR2中,將DR1和DR2種的數進行異或運算,結果放在R0中. E:將R0中的內容存在直接地址為

4、0DH的內存單元中.四、設計原理在部件實驗中，我們是人為用二進制開關模擬一些控制信號來完成數據通路的控制。而在本課程設計中，數據通路的控制將由微程序控制器來完成。計算機從內存中取出一條機器指令到指令執行結束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一個微程序。本設計的機器指令程序如下:地址(二進制) 內容(二進制) 助記符0000 0000 0000 0000 STA R0，01H 0000 0001 0000 00010000 0010 0001 0000INR0，0CH；0000 0011 0000 11000000 0100 0010 0000NOTR0；0000 0

5、101 0011 0000XORR0，0CH；0000 0110 000011000000 0111 0100 0000 MOV 0DH，R0；0000 1000 0000 11010000 1001 0101 0000OUT 0DH；0000 1010 0000 11010000 1011 0110 0000 HLT；數據區：0000 1100 0000 11100000 1110 0000 00000000 1101 0000 0000本設計的匯編指令如下:指令 注釋STA R0，01H； 將01H存在寄存器R0中IN 0CH; 給間接地址為0CH的內存單元單元中置數NOT R0; 給R0

6、中的內容取反XORR0,0CH;將間接地址為0CH的內存單元的內容和寄存器R0中的內容執行 異或運算，結果存入寄存器R0MOV0DH , R0;將寄存器R0中的內容存入直接地址為0DH的內存單元中OUT0DH ;輸出0DH中的內容HLT;停機為了向RAM中裝入程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執行，還設計了三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作(KRD):撥動總清開關CLR后，當控制臺開關SWB、SWA置為“00”時，按START微動開關，可對RAM進行連續手動讀操作。存儲器寫操作(KWE):撥動總清開關CLR后，當控制臺開關SWB、SWA置為“01”時，按START微動開關，可對RAM進

7、行連續手動寫入。啟動程序：撥動總清開關CLR后，當控制臺開關SWB、SWA置為“11”時，按START微動開關，即可轉入到第01號“取指”微指令，啟動程序運行。上述三條控制臺指令用兩個開關SWB、SWA的狀態來設置，其定義如表1：表1 SWB SWA 控制臺指令 0 0 讀內存(KRD ) 0 1 寫內存(KRD ) 0 1 啟動程序(RP)根據以上要求設計數據通路框圖如圖1所示。圖1 數據通路框圖微指令格式如表2所示。當微指令格式確定以后，下一步就是確定后續微指令地址。通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因為微程序分支處需要進行判斷測試。這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中將分

8、支微指令填入相應得分支地址單元，避免以后的設計中因重復使用而造成錯誤。對于其它位置就可以按一條微指令對應一個微地址隨意填寫。表2 微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A4A3A2A1A0A字段B字段C字段151413選擇121110選擇987選擇000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010RDB010P(2)011LDDR2011RIB011P(3)100LDIR100299B100P(4)101LOAD101ALUB101AR110LDAR110PC

9、B110LDPC按照數據通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖2所示。當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)測試。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)的測試結果出現多路分支。本機用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測試條件，出現5路分支，占用5個固定的微地址單元。當全部微指令設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表3即為將圖2微程序流程圖按微指令格式轉化而得到的“二進制代碼表”。表3 二進制微代碼表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCA5A00 00000000110000001000100000 1000000011110

10、1101100000100 20000000011000000010010000 30000000010010000000000010 4000000001110 0000000001010 50000000011100000000001100 60000000000100000000001110 70000011010001010000000011 00000000111101101100000111 10000000111101101100001001 20000000110110010000011111 3000000011110110 1100101011 40000000111101

11、101100111001 50000000111101101100111101 60000000110000000000011101 70101100110011010000000012 00000000111101101100100102100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000000001110000000010110260000000011100000000110012700000111000010100001000

12、03000000110100010100001000131000000001010000000011010320000000110110010000110113301101001100110100000000134000000001110000000011101350000001010000010000000013600000000111000000001111137000000001010 00000010000040000001110000101000000001指令寄存器(IR)用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃

13、分為操作碼和地址碼字段，由二進制數構成。為了執行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P(1)，通過節拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作。“指令寄存器”(實驗板上標有“INS DECODE”的芯片)根據指令中的操作碼譯碼結果強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應得微程序首地址。本系統使用兩種外部設備，一種是二進制代碼開關，它作為輸入設備(INPUT DEVICE);另一種是數碼管，它作為輸出設備(OUPUT DEVICE)。例如：輸入時，二進制開關數據直接經過三態門送到總線上，只要開關狀態不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出的數據送到數據總線BUS上，當寫信號(W/R)有效時，將數據

14、打入輸出鎖存器，在數碼管顯示。五、操作步驟1. 按圖3連接實驗電路2. 聯機寫程序按照規定格式，將機器指令及微指令二進制代碼表(如表4)編輯成十六進制的文件。機器代碼：$P0000$P0101$P0210$P030C$P0420$P0530$P060C$P0740$P080D$P0950$P0A0D$P0B60$P0C0E$P0D00$P0E00微指令格式：$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M03009001$M0400E005$M0500E006$M06002007$M07068A01$M0801ED83$M0901ED84$M0A01B20F$M0B01ED95

15、$M0C01ED9C$M0D01ED9E$M0E01800E$M0F599A01$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M1500E016$M1600E019$M17070A10$M18068A11$M1900A01A$M1A01B21B$M1B699A01$M1C00E01D$M1D028201$M1E00E01F$M1F00A020$M20070A013聯機運行聯機運行程序時，進入軟件界面，轉儲裝載,再彈出窗口選擇要裝載的文件（*.txt格式），在裝載完機器指令及微指令后，選擇(運行)(通路圖)(復雜模型機)功能菜單打開相應的動

16、態數據通路圖，按相應功能鍵即可聯機運行、監控、調試程序。本試驗采用微指令單步運行 運行微程序PCARPC + 1 01 01RAMBUSBUSIR 02 02 P(1) 10STA IN NOT XOR MOV OUT HLTHLTPCARPC + 1PCARPC + 1PCARPC + 1R0DR2PCARPC + 1PCARPC + 110 11 12 13 14 15 16 10 11 12 14 03 04 17 25 34 36RAMBUSBUS ARRAMBUSBUS AR R0RAMBUSBUS ARRAMBUSBUS ARRAMBUSBUSR0R0 03 06 17 RAMBU

17、SBUS DR1R0BUS BUSRAMRAMBUSBUS ARBUSDR2RAMBUSBUS ARBUS AR 0526353701 04 01DR1LEDSWBUSBUSDR1 R0RAMBUSBUS DR1BUS ARDR10631 40 05 01R0DR2 DR1RAM 07 3201DR1 DR2R0 33 0101 01 圖2 微程序流程圖圖3 接 線 圖六、實驗結果。本實驗的操作數為X=03H,Y=01H,其中X的直接地址為0EH,間接地址為0CH,Y取反后和 X進行邏輯異或運算的結果為FDH,將此結果保存在FDH中 ,最后輸出單元輸出的結果為FDH第一條機器指令STA01H(Y)移入寄存器R0,該指令執行之后, R0中的內容為01H.第二條機器指令IN,從數據開關將03H(X)輸入到內存,將其存入直接地址為0EH,間接地址為0CH的內存單元. 第三條機器指令NOT將寄存器R0中的內容取反,結果仍存入R0.該指令執行之后, R0中的內容為FEH.第四條機器指令XOR將X放入DR1中,將R0中的內容放入DR2中，將DR1和DR2種的數進行異或運算,結果放在R0中.此時R0中的內容為FDH。第五條機器指令MOV將結果存入直接地址位0DH的內存單元中。第六條機器指令OUT將0DH中的內容送到DR1，從DR1