计算机组成原理课设.docx
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计算机组成原理课设
一、课程设计的原始资料及依据
查阅有关计算机组成原理的教材、实验指导书等资料,进一步熟悉微程序控制器原理,微指令的设计方法。
在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上,进一步将各部件组成系统,构造一台基本模型计算机。
为给定的机器指令编写相应的微程序,上机调试,掌握整机概念。
二、课程设计主要内容及要求
1.认真阅读资料,掌握给定的机器指令的操作功能。
2.分析并理解数据通路图。
3.根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。
4.根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序,形成“二进制微指令代码表”。
5.全部微程序设计完毕后,将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。
6.进行机器指令程序的装入和检查。
7.运行程序,检查结果是否和理论值一致。
8.IN、ADD、JMP指令为必做指令,另外新定义1条机器指令重复上述过程。
各组要求新定义的机器指令如下:
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
设计组编号
机器指令助记符
操作功能说明
1
AND[addr]
R0AND[addr]->R0
6
NOT[addr]
2
OR[addr]
R0OR[addr]->R0
7
DEC[addr]
[addr]-1->R0
3
XOR[addr]
R0XOR[addr]->R0
8
LOD[addr]
[addr]->R0
4
SUB[addr]
R0-[addr]->R0
9
DECR
R0-1->R0
5
ROA[addr]
9.STA和OUT指令为选做指令,供有能力的学生完成。
10.记录出现故障的现象,并对故障进行分析,说明排除故障的思路及故障性质。
11.独立思考,认真设计。
遵守课程设计时间安排。
12.认真书写课程设计说明书,避免相互抄袭。
三、对课程设计说明书撰写内容、格式、字数的要求
1.课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体,主要内容包括:
设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、设计小组评语、参考文献等。
一般不应少于3000字。
2.在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。
应做到文理通顺,内容正确完整,书写工整,装订整齐。
3.设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会,包括通过课程设计有何收获,程序有哪些不足之处,哪里遇到了困难,解决的办法,以及今后的目标。
设计小组评语处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员,并由设计组组长给出评语。
评语包括该同学主要完成了哪些任务,课程设计期间的表现和态度如何,组长自己的评语由小组其他成员集体讨论后写出。
4.课程设计说明书手写或打印均可,具体要求如下:
●手写时要用学校统一的课程设计用纸,用黑或蓝黑墨水工整书写;
●打印时采用A4纸,页边距均为20mm,章标题(如:
2设计原理及内容)和目录、摘要、参考文献、设计小组评语等部分的标题用小三号黑体,上下各空1行,居中书写;一级节标题(如:
2.1设计原理)采用黑体四号字,二级节标题(如:
2.1.1数据通路)采用黑体小四号字,左对齐书写。
●正文采用宋体小四号字,行间距18磅,每个自然段首行缩进2个字。
●图和表的要有编号和标题,如:
图2.1数据通路图;表1.1机器指令表。
图题与表题采用宋体五号字。
表格内和插图中的文字一般用宋体五号字,在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。
●英文字体和数字采用TimeNewRoman字体,与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。
●页码用五号字,在每页底端居中放置。
5.课程设计说明书装订顺序为:
封面、任务书、成绩评定表、目录、正文、参考文献、设计小组评语。
在左侧用订书钉装订,不要使用塑料夹。
四、设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求
1.完成“基本模型机”中指定机器指令的操作功能,运行稳定。
2.撰写课程设计说明书。
五、时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
第1天
(12月8日)
阅读资料、系统分析设计
2
第2天
(12月9日)
系统分析设计、微程序编制
3
第3-4天
(12月10日-11日)
微程序输入、调试及运行
4
第5天
(12月12日)
基本模型机运行验收
按组号验收
5
第6-7天
(12月13日-14日)
撰写课程设计说明书
六、主要参考资料(文献)
[1]王健、王德君.计算机组成原理实验指导书.沈阳工程学院,2005
[2]白中英.计算机组成原理(第4版).北京:
科学出版社,2007
[3]蒋本珊.计算机组成原理.北京:
清华大学出版社,2004
[4]唐朔飞.计算机组成原理.北京:
高等教育出版社,2000
沈阳工程学院
计算机组成原理课程设计成绩评定表
系(部):
信息工程系班级:
计本061学生姓名:
张灵、刘立佳、陈俊宏
指导教师评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料;能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真,遵守纪律,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作。
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满,难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
(加权分合计乘以8)
分
加权分合计
指导教师签名:
年月日
评阅教师评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性;有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满,难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
(加权分合计乘以4)
分
加权分合计
评阅教师签名:
年月日
答辩小组评审意见
评价内容
具体要求
权重
评分
加权分
学生汇报
汇报准备充分,思路清晰;语言表达准确,概念清楚,论点正确,有层次,有重点,基本上反映了所完成任务的全部内容;时间符合要求。
0.5
5
4
3
2
答辩
思路清晰;回答问题有理论依据,基本概念清楚;主要问题回答准确,深入,有说服力。
0.5
5
4
3
2
答辩小组评审成绩
(加权分合计乘以8)
分
加权分合计
答辩小组教师签名:
年月日
课程设计总评成绩
分
计算机组成原理课程设计
设计小组任务分配及自评
组号
第7组
组长
张灵
全体成员
任务
学号:
2006403107
姓名:
张灵
学号:
2006403112
姓名:
刘立佳
学号:
2006403115
姓名:
陈俊宏
分配微地址
√
控制台操作编码
√
实验电路接线
√
IN指令
√
ADD指令
√
JMP指令
√
新指令【DEC】
√
STA指令(选做)
√
OUT指令(选做)
√
出勤情况
良好中等差
良好中等差
良好中等差
课程设计说明书
撰写比例
40%
30%
30%
备注
设计小组自评
张灵:
表现积极,态度认真,对组员负责,极力配合组员
刘立佳:
态度认真,具有团队意识,独立思考
陈俊宏:
表现积极,思维敏捷,塌实能干
摘要
我们正处在一个信息的时代,事物的发展和技术的进步,对传统的教育体系和人才培养模式提出了新的挑战。
随着信息技术的飞速发展,各行各业对信息学科人才的需求越来越大。
“计算机组成原理”是信息学科学生必修的一门重要专业技术基础课。
使我们掌握计算机系统分析与设计的基础知识与理论,熟悉各种不同规模的逻辑器件,掌握电路分析与设计的基本方法,为数字计算机和其他系统的硬件分析与设计奠定坚实的基础,同时掌握程序的地址安排及程序的运行过程。
计算机组成原理将计算机硬件技术和软件的有关知识融为一体,较完整的阐述了各种不同规模的数字集成电路及其在程序设计中的应用。
各种中规模通用集成电路使用时只需适当的进行连接编好程序就能实现预定的功能。
另外,由于他们所具有的通用性、灵活性及多功能性,使之除完成基本功能之外,还能以他们为基本器件有效的实现各种算术和逻辑功能。
本次课程设计我们在基本模型机的基础上改进并实现基本的IN、ADD[addr]、STA[addr]、JMP[addr]、OUT[addr]功能外还实现了DEC[addr]这一新指令的功能。
IN功能是将“DATAUNIT”中的开关状态送入R0寄存器,ADD实现“R0+[addr]→R0”,STA实现R0→[addr],OUT实现[addr]送入总线BUS上,JMP实现将addr送入PC从而实现转移、循环等操作,DEC实现[addr]-1功能并将结果送入R0中保存。
关键词计算机组成原理,硬件分析,基本指令,DEC指令,基本模型机
目录
摘要I
第一章概述1
1.1设计题目1
1.2设计目的1
1.3设备器材1
第二章设计原理2
2.1设计基本原理2
2.2需执行的机器指令2
2.3数据通路2
2.4机器指令的写入、读出和执行3
第三章设计步骤5
3.1分配存储地址5
3.2微程序流程图6
3.3微指令6
3.3.1微指令格式6
3.3.2微程序地址转移7
3.3.3微指令代码8
3.4连接实验线路9
3.5写程序10
3.6运行程序11
遇到的问题及解决方法12
设计总结13
致谢14
参考文献15
设计小组评语16
第一章概述
1.1设计题目
基本模型机的设计与实现
1.2设计目的
⒈掌握机器指令与微程序的对应关系。
⒉掌握机器指令的执行流程。
⒊掌握机器指令的微程序的编制、写入。
⒋在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将组成系统,构成一台基本模型计算机。
⒌为其定义五条机器指令,并编写相应的微程序,上机调试,掌握整机概念。
1.3设备器材
TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
第二章设计原理
2.1设计基本原理
实验过程中,各部件单元的控制信号是人为模拟产生的,本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号,实现特定指令的功能。
这里,计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成,CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成,即一条机器指令对应一段微程序。
本系统使用两种外部设备:
一种是二进制代码开关(DATAUNIT),它作为输入设备;另一种是发光二极管(BUSUNIT上的一组发光二极管),它作为输出设备。
例如:
输入时,二进制开关数据直接经过三态门送到总线上,只要开关状态不变,输入的信息也不变。
输出时,将输出端数据送到数据总线BUS上,驱动发光二极管显示。
2.2需执行的机器指令
本次设计采用六条机器指令;IN(输入)、ADD(二进制加法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),DEC(减1运算)其指令格式如表2-1所示(前4位为操作码):
表2-1机器指令格式
助记符
机器指令码
说明
IN
00000000
“DATAUNIT”中的开关状态→R0
ADD[addr]
00010000xxxxxxxx
R0+[addr]→R0
STA[addr]
00100000xxxxxxxx
R0→[addr]
OUT[addr]
00110000xxxxxxxx
[addr]→BUS
JMP[addr]
01000000xxxxxxxx
addr→PC
DEC[addr]
01000000xxxxxxxxxxxxxxxx
[addr]-1→R0
其中IN为单字长(8位),除了DEC指令其余为双字长指令,xxxxxxxx为addr对应的二进制地址码。
DEC[addr]机器指令之所以特殊,是因为“1”同样需要一个地址单元来存储,因此该指令需要三个字节。
2.3数据通路
实验系统的数据通路图,如图2.1所示。
图2.1数据通路图
注意:
①片选信号CE=0为有效电平,CE=1为无效电平。
②WE=1为写入,WE=0为读出。
③LOAD和LDPC同时为“1”时,可将总线上的数据装入到PC中;LDPC为“1”,同时LOAD为“0”时,可将PC中内容加1。
④M=0为算术运算,M=1为逻辑运算。
⑤CN=0表示运算开始时地位有进位,否则低位无进位。
2.4机器指令的写入、读出和执行
为了向RAM中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还必须设计三个控制台操作程序。
存储器读操作(KRD):
拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB、SWA为“00”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作。
存储器写操作(KWE):
拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB、SWA为“01”时,按START微动开关,可对RAM连续手动写入。
启动程序:
拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB、SWA为“11”时,按START微动开关,即可转入到第01号“取指”微指令,启动程序运行。
上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置,其定义如表2-2所示。
表2-2控制台制令
SWB
SWA
控制台指令
0
0
读内存(KRD)
0
1
写内存(KWE)
1
1
启动程序(RP)
三个控制台操作为程序的流程图如图2.2所示。
图2.2控制台操作微程序流程
注意:
微程序流程图上的单元地址为8进制。
控制台操作为P(4)测试,它以控制台开关SWA、SWB作为测试条件,出现了3路分支,
占用3个固定微地址单元。
当分支微地址单元固定后,剩下的其他地方就可以一条微指令占用控制存储器一个微地址单元随意填写。
当设计“取指”微指令的判别测试字段为P
(1)测试。
由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公共微指令,因此P
(1)的测试结果出现多路分支。
本机器用指令寄存器的前4位(IR7―IR4)作为测试条件,出现5路分支,占用5个固定微地址单元。
第三章设计步骤
3.1分配存储地址
本实验系统的指令寄存器(IR):
本实验系统的指令寄存器(IR):
指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。
当前执行一条指令时,先把它从地址码和地址码字段,由二进制数构成,为了执行任何给定的指令,必须对操作码进行测试P
(1),通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。
“指令译码器”(实验板上标有“INSDECODE”有芯片)根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址,使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
本系统使用两种外部设备,一种是二进制代码开关,它作为输入设备(DATAUNIT);另一种是发光二极管,它作为输出设备(BUSUNIT上的一组发光二极管)。
例如:
输入时,二进制开关数据直接经过三态门送到总线上,只要开关状态不变,输入阻抗的信息也不变。
输出时,将输出数据送到数据总线BUS上,驱动发光二极管显示。
机器指令程序及数据存放地址如表3-1所示。
表3-1机器指令程序及数据存放地址
地址(二进制)
内容(二进制)
助记符
说明
01000000
00000000
IN
“DATAUNIT”→R0
01000001
00010000
ADD[4EH]
R0+[4EH]→R0
01000010
01001110
01000011
00100000
STA[4FH]
R0→[4FH]
01000100
01001111
01000101
00110000
DEC[4FH]
[4FH]-1→R0
01000110
01001111
01000111
00000001
01001000
00010000
STA[50H]
R0→[50H]
01001001
01010000
01001010
01010000
OUT[50H]
[50H]→BUS
01001011
01010000
01001100
01100000
JMP40H
40H→PC
01001101
01000000
01001110
01010000
内容自定
01001111
00000000
求和结果
01010000
00000000
DEC后的结果
3.2微程序流程图
根据机器指令的要求和数据通路图,设计各指令对应的微程序流程图如图3.1所示。
图3.1微程序流程图
3.3微指令
3.3.1微指令格式
微指令字长共24位,其控制位顺序如图3.2所示。
其中UA5~UA0为下一条微指令微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多种不同控制信号。
图3.2微指令格式
A字段中的LDRi(LDR0)为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。
B字段中的RS-B(R0-B)、RD-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。
C字段中的P
(1)~P(4)是四个测试字位。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。
3.3.2微程序地址转移
P
(1)~P(4)四个测试字位根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行,其原理如图3.3所示。
图3.3微程序地址转移电路
根据该逻辑电路图,得SE1~SE5的逻辑表达式如下:
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸
图中左侧的FC、FZ、P
(1)~P(4)均为低电平有效。
当T4有正脉冲信号到来时该电路开始工作。
I7~I2中输入指令寄存器的第7~2位,SE5~SE1为微程序地址转移电路的输出结果。
实验系统自动根据SE5~SE1的值与下一条微指令的原始地址UA4~UA0进行按位操作,SE5~SE1中为1的位对应的原始地址UA4~UA0中的位保持不变,SE5~SE1中为0的位对应的原始地址UA4~UA0中的位强置为1,将下一条微指令的原始地址UA4~UA0修改为实际的正确地址。
3.3.3微指令代码
根据微程序流程图中每一CPU周期的微操作同时结合图2.1数据通路图转化成二进制代码,微指令二进制代码如表3-2所示。
⒈微程序微控器的00单元内容如表所示。
计算机启动后,微控器从微程序存储器的第一个单元(00)处读取微指令,该微指令中的C字段值为“100”,该值的译码结果使P(4)有效;,三态门打开使数据送到总线;A字段为“101”使LOAD有效同时LDPC为“1”使PC完成自动加1功能;CE为1无效电平。
20单元和22单元同理进行分析,由图3.1微程序流程图知在此处要有一循环因此22单元的µA5~µA0的值为“010000”。
⒉在控制台写程序部分的21单元,根据微程序流程图得LDPC、PC-B、LDAR有效同时要完成PC自动加1功能,因此LDPC为1;A字段为“110”LDAR有效;,使PC-B有效;CE为1无效电平;µA5~µA0的值“010100”即下一条微指令的地址。
24单元同理进行编码为完成循环功能µA5~µA0的值“010000”。
⒊在运行部分25单元,只有CE、WE、LDIR有效因此只要CE为0,WE为0,A字段为“100”即可。
µA5~µA0的值为“011000”是方便其他微指令地址的设定。
⒋IN功能的30单元只有SW-B、LDR0有效,A字段为“001”,B字段为“110”,µA5~µA0的值为“010011”。
其中“30”是根据25单元设定的µA5~µA0的值及机器指令操作码的高六位而得出的。
由表3-1知IN的指令操作码为“00000000”,将高六位对应送入图3.3微程序地址转移电路I7~I2或带入根据图3.3得出的⑴~⑸式得到SE5~SE1为“11111”。
“011000”低五位与“11111”进行运算,SE5~SE1中为1的位对应的原始地址µA4~µA0中的位保持不变,SE5~SE1中为0的位对应的原始地址µA4~µA0中的位强置为1,得到30即为该条微指令的地址。
⒌ADD功能的31单元其地址算法与IN相同,30与ADD的机器指令操作码的高六位“000100”进行运算而得出。
根据程序流程图依次设定各微指令地址。
其中42单元要进行加
表3-2微指令二进制代码表
说明
微地址8进制
S3S2S1S0MCNWECELDPC
A
B
C
ua5-ua0
KRD(00)
000000
000000011
101
110
100
010000
010000
000000011
110
111
000
010010
010010
000000000
000
000
000
010000
KWE(01)
010001
000000011
110
111
000
010100
010100
000000100
000
110
000
010001
RP(11)
010011
000000011
110
111
000
010101
010101
000000000
100
000
001
011000
IN
011000
000000010
001
110
000
010011
ADD
011001
000000011
110
111
000
011111
011111
000000000
110
000
000
100000
100000
000000000
011
000
000
100001
100001
000000010
010
001
000
100010
100010
100101010
001
101
000
01
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- 关 键 词:
- 计算机 组成 原理