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1、课程设计（大作业）报告课程名称： 计算机组成原理 设计题目:微程序控制器模型机CPU设计院 系： 信息技术学院 班 级： 2011级3班 设 计 者： 蒋兴发 学 号： 201111010309 指导教师： 华 瑞 设计时间： 2013.7.12013.7.5 信息技术学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓 名：蒋兴发 院（系）： 信息技术学院专 业：计算机科学与技术 学 号：201111010309任务起止日期：2013-07-012013-07-05课程设计题目：1、 采用硬连线控制器或微程序控制器的模型机CPU设计。2、 分析Intel公司Pentium系列CPU结构设计，提出改进设计思
2、想。3、 新一代或未来计算机大致结构框架及主要设计原理构想。课程设计要求：1、 可以单人设计，也可分组设计。若分组，组员自由组合，每组2-3人，通过组员协作共同完成设计任务，各组员工作量要均衡饱满，组内各组员设计内容不得雷同。2、 根据个人或小组的实际情况，以上三个设计题目任选其一作为正式课程设计题目。也可自拟设计题目，但必须经指导教师认可批准后才能作为正式课程设计题目。3、 对于设计题目1，要求在完成基本模型机实验与复杂模型机实验的基础上，参考主教材P.34712.1具体设计要求，并且结合上网搜索与图书馆查找相关资料进行具体设计。4、 对于设计题目2，要求在完成基本模型机实验与复杂模型机实验
3、的基础上，参考主教材P.166P.171并结合上网搜索与图书馆查找相关资料进行较为全面到位的分析，以支持主教材中对该CPU“堪称为当代CISC机器的经典之作”的评价。并且提出你对该CPU的若干改进设计思想（原设计何处有何不足，如何改进？）。5、 对于设计题目3，要求在完成基本模型机实验与复杂模型机实验的基础上，到图书馆查找相关资料并结合上网搜索，再加上自己大胆与合理的想象进行设计。“不怕做不到，只怕想不到”。6、 不管上述哪个设计题目，均要求有较完善的设计文档，并结合实际，按后文要求写出课程设计报告并打印装订与电子版一起提交（大作业），纸质版与电子版缺一不可。7、 请自觉遵守课程设计纪律，出勤
4、、实验情况、设计态度等平时设计过程表现将与最终设计成果一起综合评定本次课程设计总成绩，过程与结果同样重要。工作计划及安排：1、 分组，明确设计目标，搜集相关设计资料，熟悉基本模型机原理实验。 7.1日2、 整体结构框架设计，撰写初步设计文档，进一步搜集设计资料，熟悉复杂模型机实验。 7.2日3、 按分工要求进行具体内容设计，撰写具体设计文档，熟悉复杂模型机实验。 7.3日4、 具体设计内容进一步修改完善，继续撰写并修改完善设计文档（大作业报告）。 7.4日5、 按设计要求提交最终设计成果及课程设计大作业报告，指导教师检查评阅。 7.5日（共 一 周）指导教师签字 年 月 日 课程设计（大作业）
5、成绩学号：201111010309 姓名：蒋兴发指导教师：华 瑞 课程设计题目：微程序控制器模型机CPU设计总结： 指导教师评语：成绩：填表时间： 指导教师签名：目录课程设计（大作业）报告0一、课题分析41.1、设计目的41.2、设计任务41.3、课程设计题目分析41.3.1课题设计准备41.3.2读/写操作的认识5二、总体设计52.1、设计原理62.2功能设计6三、方案比较7四、分步设计84.1小组成员设计任务分配84.2微程序控制器的设计84.2.1 设计要求84.2.2 设计内容84.3、指令周期流程图94.4、机器指令设计94.5系统组成框图104.6、各部件功能114.7微指令格式1
6、24.8微程序流程图134.10数据连通图和接线图14五、设计成果155.1运行结果155.2复杂模型机实图连接165.3课程设计的收获16六、存在问题及改进建议16七、实验器材17八、参考文献及相关网址17课程设计（大作业）报告一、 课题分析通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，编写相应的微程序，完成由基本单元电路构成一台基本模型机，再经过调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的正常工作控制信号。在设计基本模型机的实验基础上，完成这次的课程设计。这次的课程设计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
7、，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条微程序。1.1、设计目的计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。1.2、设计任务设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备。在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指
8、令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。1.3、课程设计题目分析 基于我们对简单和复杂模型机的理解和实验，我们对课程设计分析1.3.1、课题设计准备、确定设计目标确定所设计计算机的功能和用途。、确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。、总体结构与数据通路总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。综合考虑计算机的速率、性能
9、价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。、设计指令执行流程数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。、确定微程序地址根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。、微指令代码化根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。、组装、调试在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各
10、功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。1.3.2读/写操作的认识 机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。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微程序。存储器读操作（READ）：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（WRITE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。启动程序（RUN）：拨动总清开关CLR后，控制
11、台开关SWB、SWA设置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”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，其定义如下：SWBSWA控制台命令00读内存（READ）01写内存（WRITE）11启动程序运行（RUN）二、 总体设计2.1、设计原理CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，如图1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基
12、础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1 基本CPU构成原理图2.2功能设计本模型机和前面微程序控制器实验相比,共有5条指令：IN(输入)、ADD（二进制加法）、OUT(输出)、JMP(无条件转移)、HLT（停机），其指令格式如下：助记符 实现功能 机器指令代码IN0(R0) A-R0 0010 0000IN1(R1) B-R1 0011 0000ADD(R0，R1)A+B-R0 0000 0000MUL(R0，R1)AvB-R0 0101 0000AND(R0,R1) AB-R0 0110 0000OUT(R0) A-OUT 0111 0000 HLT NOP
13、1000 0000均为单字节指令，*为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。三、 方案比较方案一：(1) 选定CPU中所使用的产要器件；(2) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据通路；(3) 根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计数据流的数据通路。计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进行传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的结构也就不样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通路的设计，也就是确定机器各逻辑部件相对位置的总框图。数据远路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者的经验，并参考现有机器的三种典型形式（单总线、双总线或三总线结构），根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。其主要步骤如下：(1) 对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与操作序列，以便决定各器件的类型和数量。(2) 构成一个总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求。(3) 检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。(4) 检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简
