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我的课程设计
前言
当然,当今社会,计算机的信息化发展一日千里。
自20世纪80年代以来,计算机的迅速发展,特别是近几年,计算机向高度集成化、网络化和多媒体化发展的速度一日千里,社会信息化不断向纵向发展,各行各业的信息化进程不断加速,计算机应用技术与其他专业的教学、科研工作结合更加紧密,各科学与计算机技术为核心的信息技术的融合,促进了计算机学科的发展。
但是计算机的基本原理始终是技术开发所需要的地基,因此对我们计算机专业的学生也提出了更高的要求,不但要求掌握理论知识,更要有计算机应用能力和实践。
“计算机组成原理”是大学本科计算机相关专业的一门核心专业基础课程。
必修,在先导课和后继课之间起着承上启下的作用。
主要讲授单处理机系统的组成和工作原理,其中控制器的设计是课程的重点和难点。
为了让学生能融会贯通各知识点,掌握微程序设计技术,增强对计算机系统各模块系统工作的认识,课程设计十分必要。
本次课程设计主要是让学生通过设计系统的指令系统来进一步理解微程序控制器的设计思想和具体方法、步骤,是考验学生将课堂学到的知识运用到实践的能力的有效手段。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,是为巩固我们所学基础专业课程知识、进行简单计算机的设计、培养实践动手能力,从而掌握计算机工作的基本工作原理、基本方法,最终达到具有一定的计算机的实际开发能力有重要意义。
目录
引言…………………………………………………………………………………1
课程设计任务书…………………………………………………………………3
第一章概述………………………………………………………………………7
1.1设计目的………………………………………………………………7
1.2工作原理………………………………………………………………7
1.2.1采用总线结构………………………………………………………7
1.2.2提供计算机基本功能模块…………………………………………7
1.2.3提供智能化控制台…………………………………………………7
1.2.4实验接线量少,实验效率高………………………………………7
第二章实验计算机的设计………………………………………………………8
2.1确定设计总要求………………………………………………………8
2.2设计整机逻辑框图……………………………………………………8
2.3设计指令系统…………………………………………………………9
2.4设计指令执行流程……………………………………………………10
2.5确定微操作控制信号及其实现方法…………………………………12
2.6设计微指令格式………………………………………………………15
2.6.1微指令格式和指令微程序…………………………………………17
2.7确定微程序控制方式…………………………………………………18
2.8编写各指令的微程序…………………………………………………20
2.9设计实验接线表………………………………………………………21
2.10编写调试程序………………………………………………………22
第三章实验计算机的组装………………………………………………………25
第四章实验计算机的调试………………………………………………………26
4.1调试准备……………………………………………………………26
4.2程序调试……………………………………………………………26
小结………………………………………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………………………28
安徽工程大学
本科生课程设计任务书
2007届计算机科学与工程系
计算机科学与技术专业
Ⅰ课程设计题目:
实验计算机
利用FD—CES实验仪提供的硬件资源(功能模块、控制台及外设等),按设计、组装、调试等步骤研制一台微程序控制的实验计算机。
Ⅱ原始资料
1、《计算机组成与结构》实验指导书
2、《计算机组成与结构》教材
Ⅲ课程设计任务内容
1.课程设计的目的意义:
通过课程设计培养同学们的系统设计能力,使同学们达到以下能力训练:
、调查研究、分析问题的能力;
、使用设计手册、技术规范的能力;
、查阅中外文献的能力;
、制定设计方案的能力;
、计算机应用的能力;
、设计计算和绘图的能力;
、技术经济指标的分析能力;
、语言文字表达的能力。
2.本课题研究的主要内容:
题五
1具有键盘和打印机两种外部设备
2外设和内存统一操作指令,程序查询法使用外设。
3运算器采用单累加器多通用寄存器结构。
4操作数寻址方式有:
直接地址寻址
立即数寻址
寄存器寻址
寄存器直接寻址
寄存器间接寻址
5.指令系统含如下8条指令:
指令编码
指令助记符
指令功能
第一字节
第二字节
I7I6I5I4I3I2I1I0
000XXXRi
MOVRi,A
(A)→Ri
001XX0Ri
MOVA,@Ri
(I2,I1,I0(Ri))→A
010XXXXX
d7-d0
MOVA,#data
data→A
011XXa10a9a8
LDAadda
(data)→A
100XXa10a9a8
a7-a0
STA,addr
(A)→addr
101XXa10a9a8
a7-a0
JMPaddr
addr→PC
110XXa10a9a8
a7-a0
JZaddr
若ZD=1则addr→PC,
否则PC加1
111XXXRi
INCA,Ri
(Ri)→A
6.能执行将键盘输入的一个二位数d3dZdldo(d=0-9)打印出来(程序自编)
3.提交的成果:
一份符合毕业设计论文规范的课程设计说明书
课程设计统一使用学校印制的课程设计封面及课程设计袋。
课程设计袋按要求认真填写,字体要工整,卷面要整洁,手写一律用碳素墨水书写。
课程设计除课程设计袋的其它资料鼓励用计算机打印。
课程设计按统一顺序装订:
(1)封面
(2)前言
(3)目录
(4)课程设计任务书(须有指导教师签名及日期)
(5)正文(分章、层次等,每一章从新的一页开始)
(6)小结
(7)参考文献
(8)课程设计图纸
装订好后放入填写好的资料袋内由各教学单位存档。
相关要求可酌情参照“安徽工程科技学院本科毕业设计(论文)管理办法”执行。
课程设计的基本步骤
整个课程设计的过程分为三个阶段:
设计、组装、调试。
第一阶段:
实验计算机的设计
l确定设计总要求。
这包括:
(1)实验计算机是否使用外设(键盘和打印机),以什么方式使用外设(程序查询IO方式还是中断IO方式)。
(2)实验计算机运算器采用什么结构(如多通用寄存器结构、多累加器结构等)。
(3)实验计算机功能和用途(如可对键盘输入的两个2位十进制数进行四则运算,由打印机输出结果)。
(4)实验计算机指令系统规模(共有多少条指令,指令功能等)
(5)微操作控制信号的实现方法。
2设计整机逻辑框图
根据设计要求,对实验仪硬件资源进行逻辑剪辑组合,便可设计出该实验计算机的整机逻辑框图。
3设计指令系统
需确定实验计算机的指令系统具体由哪些指令组成,包含哪几种类型指令,指令操作数有哪几种寻址方式,以及指令编码等。
这要兼顾必要性(编程方便)和可行性(硬件条件)。
4设计指令执行流程
应根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程。
对于微程序控制的计算机设计指令执行流程时,要保证每条微指令所含微操作的必要性和合理性,防止微操作之间有时序冲突,为此要分析:
*哪些微操作信息可以安排在同一条微指令中;
*哪些微操作信息必须安排在同一条微指令中;
*哪些微操作信息不能安排在同一条微指令中。
5确定微操作控制信号及其实现方法
本设计阶段任务是综合实验计算机指令系统各指令执行流程中涉及到的微操作控制信号,统计总共需多少个微操作控制信号,每个信号的有效性,决定这些信号中哪些由软件(微指令)直接产生,哪些需用硬件(TTL)实现。
6设计微指令格式
微指令长24位,若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式,那么至多可有24个微操作控制信号可由微码直接实现。
如果采用分组编码译码,那么n位微码通过二进位译码可实现2n个互斥的微操作控制信号(即它们不可能在同一节拍内激活)。
本阶段设计任务是决定双位长的微指令是否分段定义、各段段长;决定微指令各码位含义和有效性;对其中尚需用硬件作后继处理的信号加以注明.如M0-RC,表示对M0尚需作后继处理才能产生有效的RC信号(注:
RC为读内存控制信号,负脉冲有效)。
对于那些允许同时有效且有效性一致的微操作控制信号可以合用一个微码表示。
如果实验计算机指令系统规模较小,功能也不太复杂,那么通常情况下推荐采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。
7确定微程序控制方式
这阶段设计任务包括设计各微程序入口地址的形成方法和控存的顺序控制(即下址形成)方法。
8编写各指令的微程序
根据指令流程和微指令格式仔细地逐条填写微指令各码位。
9设计实验接线表
10编写调试程序
实验计算机调试程序通常包括:
存取类指令调试程序、传送类指令调试程序、算术逻辑类指令调试程序、跳转类指令调试程序和I/O设备调试程序等。
11编写应用程序
用实验计算机指令系统编写实验计算机应用程序,例如四则运算程序、图形打印程序等。
第二阶段:
实验计算机的组装
采用TTL器件实验板实施前面设计的实验接线表。
FD-CES实验仪提供的TTL器件实验板参见实验指导书。
在正式组装前,先检验将要使用的该实验接线板,认清该板信号接线插座上所标符号,检验将要使用的集成电路型号。
第三阶段:
实验计算机的调试
组装无误,便可进入加电调试阶段,先静态后动态。
实验计算机是一个较大的数字系统,研制实验计算机是个较复杂的过程,难免会出现这样或那样的故障,重要的是能正确地分析故障和排除故障,从而提高实验者分析和解决数字系统问题的综合能力。
指导教师(签字)
完成日期2010年6月18日
接受任务书学生(签字)周俊
第1章概述
1.1设计目的:
本次课程设计是要研制一台性能比较简单的计算机,能实现简单的指令功能,在设计计算机的过程中以此来加深对计算机组成与结构的理解,增强自己的动手能力。
1.2工作原理:
FD-CES是一台多功能的计算机实验设备,可进行数字逻辑电路实验、计算机部件实验、计算机整机实验和其他数字系统实验。
FD-CES具有以下主要特点:
1.2.1采用总线结构
FD-CES采用总线结构,是实验仪具有结构简单清晰、扩展方便、灵活易变等诸多优点。
该实验仪内共有四组总线:
外部数据总线ODB、外部地址总线OAB、内部数据总线IDB、内部地址总线MB。
CPU、内存、外设和控制台等部件之间通过外部总线传输信息,而CPU内部则通过内部总线传输信息。
1.2.2提供计算机基本功能模块
FD-CES为实验者提供了运算器模块ALU、寄存器堆模块REG、指令部件模块I-PC、内存模块MEM、总线缓冲模块BUS、微程序控制模块MPG、启停和时序模块P-P,以及控制台(兼I/O设备)的控制模块等。
这些基本功能模块的输出都通过三态器件连接总线,实验者可按需增加某些功能模块,也可逻辑“删除”不用的模块。
各模块的电源线、地线、地址总线和数据总线等已分别连通,不必再连。
模块内各集成电路间的数据通路也已连好。
个器件的控制信号及必要的输出信号已被引出到实验板上,供实验者按自己的设计方案连接使用这些信号,从而使各模块协调地工作。
1.2.3提供智能化控制台
控制台由Intel的8位单片微机8032控制,使控制台具有较强的功能,为调试和使用实验计算机提供如下便利:
实验计算机停机时,实验者可通过控制台将程序键入内存,将微程序键入控存;可把内存或控存指定单元内容读出显示;可把内存或控存内容保存到外存EEPROM,或将外存EEPROM内容读入内存或控存等。
实验计算机运行时,可由控制台控制实验计算机从指定单元开始连续运行;并可人工干预使其停止运行;也可控制实验计算机逐步逐拍地运行,并自动测量和显示每一拍地址总线和数据总线或微指令内容。
1.2.4实验接线量少,实验效率高
具有上述特性的FD-CES实验仪,可大大减少实验者的接线工作量,因而也减少了出错的可能性,以利于实验的顺利进行。
而且,更重要的是能使实验者在有限的时间内将精力集中在实验的关键部分。
第二章实验计算机的设计
2.1确定设计总要求
5具有键盘和打印机两种外部设备
6外设和内存统一操作指令,程序查询法使用外设。
7运算器采用单累加器多通用寄存器结构。
8操作数寻址方式有:
直接地址寻址
立即数寻址
寄存器寻址
寄存器直接寻址
寄存器间接寻址
5.指令系统含如下8条指令:
指令编码
指令助记符
指令功能
第一字节
第二字节
I7I6I5I4I3I2I1I0
000XXXRi
MOVRi,A
(B)→Ri
001XX0Ri
MOVA,@Ri
(I2,I1,I0(Ri))→A
010XXXXX
d7-d0
MOVA,#data
data→A
011XXa10a9a8
LDAadda
(data)→A
100XXa10a9a8
a7-a0
STA,addr
(A)→addr
101XXa10a9a8
a7-a0
JMPaddr
addr→PC
110XXa10a9a8
a7-a0
JZaddr
若ZD=1则addr→PC,
否则PC加1
111XXXRi
INCA,Ri
(Ri)→A
6.能执行将键盘输入的一个二位数d3dZdldo(d=0-9)打印出来(程序自编)
2.2设计整机逻辑框图
根据设计要求,对实验仪器硬件资源进行逻辑剪辑组合,便可设计出该实验计算机的整机逻辑框图
实验整机由运算器模块,寄存器堆模块,指令部件模块,内存模块,总线缓冲模块,微程序控制模块,起停和时序模块有序组合而成。
其中运算器模块(ALU)主要由累加器A(74198)、运算器ALU(74181X2)、累加器暂存器ACT(74377)、暂存器TMP(74373)、输出缓冲器BUFFER(74245),以及进位产生线路、累加器判零线路等构成;寄存器堆模块由两片74670组成,提供4个8位寄存器;指令部件模块由指令寄存器、程序计数器和指令译码器构成;内存模块由一片2048X8bit的静态RAM电路6116及操作控制电路组成,为用户提供有效的内存空间;总线缓冲模块由三片三态总线传输器件(两片74245和一片74125)组成,用于对总线信息进行控制传送和驱动;微程序控制模块主要由11位微地址计数器MPC(74163x3)、2Kx24bit的控存CM(6116x3),以及24位微指令寄存器MIR(74377x3)组成;起停和时序模块(R-P)由运行触发器RUN(7474)、脉冲延迟电路(双单稳74123)等构成,用于产生RO、RF、Φ、MICP等信号。
2.3设计指令系统
需确定实验计算机的指令系统具体由哪些指令组成,包含哪几种类型指令,指令操作数有哪几种寻址方式,以及指令编码等。
这要兼顾必要性(编程方便)和可行性(硬件条件)。
指令编码
指令助记符
指令功能
第一字节
第二字节
I7I6I5I4I3I2I1I0
000XXXRi
MOVRi,A
(C)→Ri
001XX0Ri
MOVA,@Ri
(I2,I1,I0(Ri))→A
010XXXXX
d7-d0
MOVA,#data
data→A
011XXa10a9a8
LDAadda
(data)→A
100XXa10a9a8
a7-a0
STA,addr
(A)→addr
101XXa10a9a8
a7-a0
JMPaddr
addr→PC
110XXa10a9a8
a7-a0
JZaddr
若ZD=1则addr→PC,
否则PC加1
111XXXRi
INCA,Ri
(Ri)→A
1.其中包括的指令类型有算术/逻辑运算类指令,移位操作类指令,数据传送类指令,程序跳转控制类指令,存储器操作类指令,输入输出类指令。
2.操作数的寻址方式有直接地址寻址,立即数寻址,寄存器直接寻址,寄存器间接寻址。
(1)直接地址寻址:
单字节指令
LDAadda;(adda)→A
指令第一字节低3位和指令第二字节8位构成11位操作数地址
第一字节
a10
a9
a8
a7
a6
a5
a4
a3
a2
a1
a0
操作码11位地址
(2)立即数寻址:
双字节指令
MOVA,#data;data→A
第一字节第二字节
操作码8位立即数
(3)寄存器直接寻址:
单字节指令
MOVRi,A;(A)→Ri
操作码
(4)寄存器间接寻址:
单字节指令
MOVA,@Ri;(I2,I1,IO(Ri)→A
I2
I1
IO
操作码页面码
2.4设计指令执行流程
应根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程。
1.单字节指令MOVRi,A该指令功能为(A)→Ri,需执行如下微操作:
PCOB1
(1)(PC)-----------→IAB-----------→OAB
根据计数器PC内容作访问内存地址。
RCB2,B3CI,GI
(2)(M)--------------→ODB---------------→IDB---------------→R1
读出指令字节送IR1。
P+1,CK
(3)(PC)+1---------------→PCI
PC加1计数,为取下条指令字节准备。
RR,A,BCG
(4)(A)-----------------→IDB------------------→IR2
读A,经IDB送入IR2。
RC,B2,B3WR,A,B
(5)(Aj)----------------→IDB-------------------→Ri
从内存读出操作数送入Ri。
P+1,CK
(6)(PC)+1-----------------→PCI
PC加1,为取下一指令字节准备。
其中,
(1)
(2)必须同一拍;(4)也必须同一拍;(5)(6)也必须同一拍;(3)可以独一拍和
(1)
(2)合一拍或与(4)合一拍。
具体方案如下:
T0(第一拍):
(1)
(2)(3)
T1(第二拍):
(4)
T2(第三拍):
(5)(6)
2.单字节指令MOVA,@Ri该指令功能为(I2,I1,I0(Ri)→A需执行如下微操作:
PCOB1
(1)(PC)-----------→IAB-----------→OAB
根据计数器PC内容作访问内存地址。
RCB2,B3CI,GI
(2)(M)--------------→ODB---------------→IDB---------------→R1
读出指令字节送IR1。
P+1,CK
(3)(PC)+1---------------→PCI
PC加1计数,为取下条指令字节准备。
RR,AB,Cn,M,S3,S2,S1,S00BCL
(4)(Ri)--------------------------------→BUF------→IDB-----→IR2
0IBI
(5)I2,I1,I0(IR2)-----------→IAB-----------→OAB
由IR1低三位和IR2的8位形成11位操作数地址。
RCB2,B3WR,A,B
(6)(M)-----------→ODB-------→IDB-----------→A
从内存读出操作数送入A
其中,
(1)
(2)必须同一拍;(4)也必须同一拍;(5)(6)也必须同一拍;(3)可以和
(1)
(2)合一拍或与(4)合一拍。
具体方案如下:
T0(第一拍):
(1)
(2)(3)
T1(第二拍):
(4)
T2(第三拍):
(5)(6)
3.双字节指令MOVA,#data该指令功能为data→A需执行如下微操作:
PCOB1
(1)(PC)-----------→IAB-----------→OAB
根据计数器PC内容作访问内存地址。
RCB2,B3CI,GI
(2)(M)--------------→ODB---------------→IDB---------------→R1
读出指令字节送IR1。
P+1,Ck
(3)(PC)+1---------------→PCI
PC加1计数,为取下条指令字节准备。
PCOB1
(4)(PC)--------------→IAB--------------→OAB
根据PC访问内存
(5)RCB2,B3CI,GI
(M)--------------→ODB---------------→IDB---------------→R1
取出本指令第二字节送IR2
P+1,CK
(6)(PC)+1-----------------→PCI
PC加1,为取下一指令字节准备。
其中,
(1)
(2)必须同一拍;(4)(5)也必须同一拍;(3)可以单独一拍或和(1)(2)合一拍;(6)可以单独一拍或和(4)(5)合一拍。
具体方案如下:
T0(第一拍):
(1)(2)(3)
T1(第二拍):
(4)(5)(6)
4.单字节指令LDAadda该指令功能为(data)→A需执行如下微操作:
PCOB1
(1)(PC)-----------→IAB-----------→OAB
根据计数器PC内容作访问内存地址。
RCB2,B3CI,GI
(2)(M)--------------→ODB---------------→IDB---------------→R1
读出指令字节送IR1。
P+1,Ck
(3)(PC)+1---------------→PCI
PC加1计数,为取下条指令字节准备。
PCOB1
(4)(PC)--------------→IAB--------------→OAB
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