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1、0 本科生课程实习本科生课程实习 课程题目：基本模型机的设计与实现课程题目：基本模型机的设计与实现 课程名称计算机组成原理 学生姓名 学生学号 所在专业计算机科学与技术 所在班级 指导教师职称 成绩 0 目录目录 1设计任务与要求.1 1.1 设计目的1 1.2 设计内容.1 1.3 设计要求.1 2.1 主要使用芯片.2 2.2 基本原理.2 3.1 程序流程图.3 3.2 接线图.4 3.3 模块功能.5 4.1 测试过程.6 4.2 测试结果.7 1 题目题目 1设计任务与要求 设计目的设计目的 综合运用所学过的计算机原理知识，设计并实现用微程序控制器控制模型机的数 据通路，掌握运用计算
2、机原理知识解决问题和设计指令程序的能力。 1.2 设计内容设计内容 通过自己设计微指令，同时设计了 7 条机器指令：IN（输入）、ADD（相加）、 AND（逻辑与）、STA（存数）、SUB（相减）、NOT（取反）、JMP（无条件转移），然 后输 入数据来验证这些操作。 1.3 设计要求设计要求 设计一个完整的程序，程序至少有 IN，ADD，STA，OUT，JMP 等指令，在此的基础 上再多几条指令，使它完成更多的功能。 2 设计思想 2.1 主要使用芯片主要使用芯片 74181 算术运算器 ALU、74374 寄存器堆 R0、74161 程序计数器、74273 地址寄存 器 AR、74273
3、指令寄存器 IR。 2.2 基本原理基本原理 A.微程序控制的基本思想: 1. 若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作； 2 2. 若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令； 3. 微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。 B.基本组成:控制存储器，微指令寄存器，微地址寄存器，地址转移逻辑 控制存储器(CM):用来存放实现全部指令系统的微程序，位于 CPU 中。它是一种 只读型存储器，要求速度快，读出周期短 微指令寄存器:存放当前由控制存储器读出的一条微指令信息，分为微地址寄存 器和微命令寄存器两个部分。其中微地址寄存器决定将要访问的下 一条微指令的地址，微命令寄存器则
4、保存一条微指令的操作控制字 段和判别测试字段(P)的信息 地址转移逻辑:自动完成修改微地址的任务。 微程序控制器:微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当 前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各 种处理操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微 命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样 就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微指令序列称为微程序。微程序存 储在一种专用的存储器中，称为控制存储器. C.微程序控制计算机的工作过程: 下面通过计算机启动、执行程序直到停机的过程，来说
5、明微程序是如何控制计算 机工作的: 计算机加电以后，首先由复位信号(Reset)将开机后执行的第一条指令的地址送 入 PC 内，同时将一条“取指“微指令送入微指令寄存器中，并将其他一些有关的状态位 或寄存器置于初始状态。当电压达到稳定值后，自动启动计算机，产生节拍电位和工 作脉冲。为保证计算机正常工作，电路必须保证开机后第一个机器周期信号的完整性， 在该 CPU 周期末，产生开机后第一个工作脉冲。然后计算机开始执行程序，不断地取 出指令、执行指令。 程序可以存放在固定存储器中，也可以利用固化在只读存储器(ROM)中的一 小段引导程序，将要执行的程序和数据从外部设备调入主存。实现各条指令的微程
6、序 是存放在微程序控制器中的。当前正在执行的微指令从微程序控制器中取出后放 在微 指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和数据的传送，并 进行相 应的处理。当遇到停机指令或外来停机命令后，应该待当前这条指令执行完 毕后再停 机或至少在本机器周期结束时停机。要保证停机后，重新启动计算机能继 续工作而且 不出现任何错误。 3 设计方案 3 3.1 程序流程图程序流程图 KT控制台 00 00 20 KWE(01)KRD(00)RF(11) 21 20 23 24 22 01 (SW)-PC P (4) PCAR PC+1 RAMBUS， PCAR PC+1 (SW)-BUS BUS-
7、RAM 4 RP 01 02 10 INADD AND STA SUBNOTJMP 10111213141516 030727313540 01 0436 173032 01 05 092533 060137 263401 01 01 01 PCAR PC+1 RAMBUS BUSIR P(1) SWR0PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR RAMBUS BUSDR2 R0DR1 (DR1)+(DR2) R0 PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR RAMBUS BUSDR2 R0DR1 DR1DR2B US-R0 PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR R0BUS BUS
8、RAM PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR RAMBUS BUSDR2 R0DR1 (DR1)-(DR2) R0 PCAR PC+1 RAMBUS BUSPC PCAR PC+1 RAMBUS BUSAR R0DR1 DR1R0 5 3.2 接线图接线图 R7 . R0 BUS S3 R7 CN LDR1 R0 LDR2 ALU_B R7 LDR0 R0 R0_B R7 CE R0 WE B7 LDAR LDAD B0 PC_B LDPC SW_B B7 B0 DATA UNIT T4 T1 JT UNIT T4 T1 H24 SIGNAL UNIT SIGNAL S3 SN SE6
9、 LDR1 SE0 LDR2 ALU_B P LDR1 P RS_B CE LDIRD WE LDAR LDAD PC_A PC_B SW_B MICRC_CDNTRLER SE6 SWB SE0 SWA P P I7 I0 LDG UNIT SWB SWA I7 I0 LDIR INS UNIT 6 3.3 模块功能模块功能 IN 为单元字长（8 位），含义是将数据开关 8 位数据输入到 RO 寄存器 ADD 为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将 R0 寄 存器的内容与内存中以 A 为地址单元的数相加，结果放在 R0。 STA 为双字长指令。含义是将 R0 中的内容存
10、储到以第二字 A 为地址的内存单元 中。 AND 为双字长指令。第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将 R0 寄 存器的内容与内存中以 A 为地址单元的数相与，结果放在 R0。 SUB 为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将 R0 寄 存器的内容与内存中以 A 为地址单元的数相减，结果放在 R0。 NOT 为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将 R0 寄 存器的内容求反，把结果放在 R0 中。 JMP 为双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元 地址。 7 4 测试结果及分析 4.1 测试过程测试过程 地址（二进制）内
11、容（二进制） 0000 0000IN （0000 0000） 0000 0001ADD （0001 0000） 0000 0010 （0011 0010） 0000 0011STA （0011 0000） 0000 0100 （0011 0011) （存数） 0000 0101AND （0010 0000） 0000 0110 （0011 0100） 0000 0111STA (0011 0000） 0000 1000 （0011 0001) （存数） 0000 1001SUB （0100 0000） 0000 1010 （0001 0110） 0000 1011STA （0011 0000）
12、 0000 1100 （0011 0111) （存数） 0000 1101NOT （0101 0000） 0000 1110STA （0011 0000） 0000 1111 （0011 1000） （存数） 0001 0000JMP （0110 0000） 0001 0001 （0000 0000） 0011 0010 (ADD ) （0000 0001） （ADD） 0011 0011 (ADD STA)初始 （0000 0000） （ADD 结果存数） 0011 0100 (AND) （0000 0010） (AND) 0011 0101 (AND STA)初始 （0000 0000 ）
13、 (AND 结果存数) 0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB) 0011 0111初始 （0000 0000） (SUB 结果存数) 0011 1000初始 （0000 0000） (NOT 结果存数) 根据实验连线图连接好，使编程开关处于“RUN” ，STEP 为“STEP”状态，STOP 为“RUN”状态。 拨动总清开关 CLR（01） ，微地址寄存器清零，此时用“DATA UNIT”单元的 8 位二进制开关给出要写入 RAM 区的首地址（0000 0000） ，控制台，SWA 开关置为“01” ，按动显示“010010” ，再按动一次“START” ，微地址灯
14、显示 8 “010100” ，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动一次 START 键，即 完成该条指令的写入。机器指令的首地址只要第一次输入即可，PC 会自动加 1， 所 以按动 START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指 令写完。 4.2 测试结果测试结果 地址（二进制）地址（二进制）内容（二进制）内容（二进制） 0000 0000 （IN） 0000 0010 0011 0010 (ADD ) （0000 0001） （ADD） 0011 0011 (ADD STA) （0000 0011） （ADD 结果存数） 0011 0100 (AND)
15、（0000 0010） (AND) 0011 0101 (AND STA) （0000 0001 ） (AND 结果存数) 0001 1110 (SUB) （0000 0001） (SUB) 0011 0111 （0000 0000） (SUB 结果存数) 0011 1000 （1111 1111） (NOT 结果存数) 9 5 源程序 微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCA BP UA5UA0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 11 0 11101 0 00 1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 10 0 0 0 0 0 0 1 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 01 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0 01 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 00 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1 0 50 0 0 0 0 0 0 1 00 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0 0 61 0 0 1 0 1 0 1 00 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0
