《计算机组成原理课程设计---基本模型机设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理课程设计---基本模型机设计与实现（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、* 实践教学实践教学*计算机与通信学院2011 年春季学期计算机组成原理课程设计课程设计题目：模型机设计5 专业班级： 08 级计算机科学与技术（5）班 姓名： 学号：08240539 指导教师： 成绩：2前言通过对计算机组成原理及实验的学习，设计 14 条机器指令，并编写相应的微程序，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 5 的实验过程中， 个别部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本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
2、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条微程序。本课程设计以 DVCC 计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。1、 根据任务要求设计整机系统的方案。2、存储系统：使用模型机的存储模块，说明存储器的输入输出时序，模块连接方式等。3、运算器：使用模型机的器件，组成带有片间串行进位 8 位移位运算功能的运算器。4、 微程序控制器模块：使用教学机的系统，设计微程序控制器。5、设计模型机指令系统： （含设计微指令格式、微程序流程图，每条指令所对应的微程序等） 。6、 了解并说明教学模型机的输入输出模块。7、在自
3、己设计的指令系统基础上，编制一个汇编语言小程序并进行调试通过。8、整机设计分模块进行，说明模块中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序，以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。本设计的规定项目采用 14 条机器指令： IN.OUT.STA.LDA.JMP.BZC.CLR.MOV.CMP.SUB.DEC.HLT.RRC.RLC。3摘 要本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现， 该设计要求根据计算机组成原理课程所学知识，设计、开发一套简单的模型计算机。通过对一个简单计算机的设计，以达到对计算机的基本组成、部件的功能与设计、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了
4、解，加深对理论课程的理解。通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深计算机时间和空间概念的理解。部件实验过程中， 本课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。首先向存储器中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行，并将实验结果显示输出。关键词：模型机运算器存储系统指令系统微程序指令4目录目录前言2摘 要 3一 设计的目的及设计原理51设计的目的52 设计的原理5二 总体设计10三 详细设计121 运算器的物理结构.122 存储器的组成与说明.143 指令系
5、统的设计与格式分析.154 微程序控制器的逻辑机构及功能.245 微程序的设计与实现.26四.系统调试报告32五 设计总结35六 设计（论文）的主要参考文献36七致谢375一一 设计的目的及设计原理设计的目的及设计原理1设计的目的计算机组成原理课程设计是“计算机组成原理”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，可更好地理解计算机组成原理课程的基本内容，掌握模型计算机设计与实现的基本方法，培养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。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,时序和启停控制等电路。定义一套简单
6、的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法，画出所设计的模型机系统的电路原理图。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， 完成微程序控制器的实验调试过程，并用所设计的指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，写出设计报告。2 设计的原理（1）基本模型机的设计与实现部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而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
7、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个微程序。此基本模型机的设计主要包括存储器、运算器、输入/输出设备、微控器和指令系统五个模块组成。其中运算器主要由运算器 U3、U4（74LS181）、暂存器U1、U2（74LS273）、输出缓冲器 U5（74LS245）、移位器（74LS299）以及进位控制和判零标志控制电路等构成。存储器存储该主存储器采用一级 cache-存储6器结构。输入/输出设备主要有两种外部 I/O 设备，一种是键盘，它作为输入设备 INPUT；另一种是字符显示块，它作为输出设备 OUTPUT。控制器它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，
8、其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。一台计算机中所有机器指令的集合，成为这台计算机的指令系统，它是计算机系统设计的一个核心问题，它不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接关系到用户的使用需要。指令从内存中读出，首先放到 IR 指令寄存器中，再送入到微控器中进行译码，再由微控器输出各种控制信号给各功能部件，执行相应的操作。指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制代码， 。一般来讲，取值周期从内存中读出的信息流是指令流，它指向控制器；而在执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。指令从存储器中得到，送到指令寄存器中。由指令得到相应的控制信号，从控制器
9、输出控制信号来控制计算机的运行。（2）各模块功能为：a.存储器存储器的功能是保存或“记忆”各种数据。在存放到存储器以前，他们全部变成 0 或 1 表示的二进制代码。采用半导体器件来存放大量的 0，1.一个半导体触发器由于有 0 和 1 两种状态，可以记忆一个二进制代码。一个数据假定用 8位二进制代码来表示，那么就需要 8 各触发器来保存这些代码。通常，在存储器中保存一个数的 8 个触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的，每一个存储单元都有编号，称为地址。存储器的所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。b.运算器运算器就好像是一个由电子线路构成的算盘， 它的主要功能就是进行加、 减
10、、乘、除等运算。还可以进行逻辑运算。电子器件的特性，计算机中通常采用二进制数。其运算规律非常简单。0+0+0,0+1=1，1+0=1,1+1=10,00=0，01=0，10=0，11=1。该模块中算术运算是由2片74LS181构成，是运算器的核心。74LS181功能表如表1-1所示7表1-174LS181功能表4位ALUS3 S2 S1 S0M0（算术运算）M1（逻辑运算）Cn=1 无进位Cn=0 有进位L L L LL L L HL L H LL L H HL H L LL H L HL H H LL H H HH L L LH L L HH L H LH L H HH H L LFAFA+
11、BFA+/BF2的补FA加(A*/B)F(A+B)加(A*/B)FA减B减1F(A*/B)减1FA加A*BFA加BF（A+/B）加A*BFA*B减1FA加AFA加1F（A+B）加1F（A+/B）加1F0FA加(A*/B)加1F（A+B）加(A*/B)加1FA减BF(A*/B)FA加AB加1FA加B加1F（A+/B）加A*B加1FABFA加A加1F/AF/(A+B)F/A*BF0F/(A*B)F/BF(AB)F(A*/B)F/A+BF/（AB）FBFABF=1进位输入信号来自于两个方面:其一对运算器 74LS181 的进位输出/CN+4 进位倒相所得 CN4；其二由移位寄存器 74LS299 的
12、选择参数 S0、S1、AQ0、AQ7 决定所得，移位寄存器 74LS299 主要用于带进位左、右移位操作。c.控制器控制器是计算机中发号施令的部件， 它控制计算机的各部件有条不紊的进行工作。更具体地讲，控制器的任务就是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。d.输入/输出设备本系统有两种外部 I/O 设备，一种是键盘，它作为输入设备 INPUT；另一种是字符显示块，它作为输出设备 OUTPUT。8e.指令系统指令系统控制计算机系统有条不紊的工作f.寄存器介绍指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码
13、和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，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”根据指令中的操作码进行译码，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。数据寄存器用来存放从内存中读出的数据或是从输入设备输入的数据， 然后将数据送到运算器等功能部件，起了暂存的作用。PC 为指令指针计数寄存器，用来存放下一条将要执行指令的地址。SP 为堆栈指针计数寄存器，用来在堆栈寻址方式中指示栈顶指针的位置。（3）带移位运算的模型机的设计与实现在基本模型机的基础上搭接移位控制电路，实现移位控制运算。实验中新增 4 条移位运算
14、指令：RL(左环移)、RLC(带进位左环移)、RR(右环移)、RRC(带进位右环移)，其指令格式如下：操作码RR01010000RRC01100000RL01110000RLC10000000以上 4 条指令都为单字长(8 位)。RR 为将 R0 寄存器中的内容循环右移 1 位。RRC 为将 R0 寄存器中的内容带进位右移 1 位，它将 R0 寄存器中的数9据右边第 1 位移入进位，同时将进位寄存器的数移至 R0 寄存器的最左位。RL 为将 R0 寄存器中的数据循环左移 1 位。RLC 为将 R0 寄存器中的数据带进位循环左移 1 位。为了向 RAM 中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启
15、动程序执行，还设计了 3 个控制台操作微程序。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 启动纽，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置为“01”时，按动 START 启动纽可对 RAM 进行连续手动写入。启动程序：拨动总清开关 CLR 后控制台开关 SWB，SWA 置为“11”时，按动启动键，即可转入到第 01 号“取址”微指令上述三条控制台指令用两个开关 SWB、SWA 的状态来设置，其定义如下表 1-2：表 1-2SWBSWA控制台指令001011读内存（
16、KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）10二二 总体设计总体设计本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实验特定指令的功能。在制定设计方案的时候，首先要理解所设计的模拟机各个部件的作用及功效，弄清楚他们可以干什么，怎么样去干。这样才能更好的完成设计达到我们设计的目的和通过实验所要继续深化的知识点。计算机数据通路的控制是由微程序控制器来实现的， 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个微程序。而每一条微指令都是由我们自己根据 CPU 要完成的功能设计的。总体设计框图如下：实验仪的总体结构框图（图 1-1）（1）控制信号说明：1S3，S2，S1，S0 有微程序控制器输出的 ALU 操作选择信号，以控制执行16 种算术操作或 16 种逻辑操作中的一种操作。2M 微程序控制器输出的 ALU 操作方式选择信号端，M0 执行算术操
