计算机组成课设报告

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1、计算机组成课设报告M第欷天E嗪再慌计算机组成与系统结构课程设计报告报告题目RISC模型机的设计及实现作者所在系部：计算机科学与工程系作者所在专业：计算机科学与技术作者所在班级： B08515作者姓名：张健（31）指导教师姓名：杨立完成时间：2010-12-24北华航天工业学院教务处制目录目 录 1内容摘要 2关键词 2课程设计任务书 3第 1 章 绪论 41.1 设计地点 41.2 设计目的 41.3 设计内容 41.4 实验的环境： 5第 2 章 基础知识 52.1 概述 52.2 主要技术要点 62.2.1 ALU 部件 62.2.2. 存储体 62.2.3 控制器 6第 3 章 系统设计

2、与实现 73.1 模型机结构 73.2 程序设计原理 73.2.1 数据格式及指令格式 73.2.2 指令系统 83.3 机器指令设计 93.4 联机实验 103.4.1 实验连线 103.4.2 实验步骤 113.4.3 实验测试： 13第 4 章 实验总结 13参考资料 14内容摘要计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层 次上。计算机系统的层次结构模型中，第 0 层是硬件内核（逻辑线路），第 1、2 层是指 令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、 PLA 控制 技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计

3、算机组成原 理涉及到的是第 0、1、2这3层。本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的模型机，在实验中了解， 熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器 的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入 /输出系统的工作原理与功 能。以及增强自己的动手能力。课设主要依托组成原理实验室设备EL-JY-n来完成的, 在实验当中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。在此说明。在实验中我要感谢杨老师的辛勤付出，每天来到实验室指导我们进行实验，在此特 别提出感谢。同时也要感谢我的搭档，正是我们相互配合完成了本次课程设计。关键词模型机，微指令，机器

4、指令，地址，微地址，微代码74LS181 ALU 74LS273 74LS244 6116课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计及运行完成时间2010-12-24指导教师杨立职称 教授 学生姓名 张健班级B08515总体设计要求和技术要点掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基 本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、 控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原 理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关 系，实

5、现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出 微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现比较完整的模型机 功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技 术的CPU技术。工作内容及时间进度安排总计2周：1.12月17日：资料査阅、选题、系统总体设计2.12月18日-12月24日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3.12月25 日-28 日：系统调试与运行，成果验收4.12月28日：上交设计报告课程设计成果1. 课程设计硬件系统及配套软件2. 课程设计报告书第 1 章

6、绪论本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅 助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现（包括硬件和软件）。1.1 设计地点计算机组成原理实验室；1.2 设计目的通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分 析、研究、开发和综合设计能力。1.3 设计内容掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌 握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的 结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作

7、；（ 3）运用随机存储器 RAM 以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器 和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其 正确性；（5）构造指令系统，定义至少 10条机器指令，实现比较完整的模型机功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的 CPU 技术。要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模 块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确；1.4 实验的环境：利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。系统采用

8、“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入输出和显示、 单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、 译码器等电路放置在扩展板上。第 2 章 基础知识2.1 概述计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层 次上。计算机系统的层次结构模型中，第 0 层是硬件内核（逻辑线路），第 1、 2 层是指 令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、 PLA 控制 技术），第3、 4 层为系统软件，第5 层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原 理涉及到的是第 0、 1、 2这3层。计算机硬件主要由运算

9、器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。微处理器结构（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同 时也是计算机内部数据信息的重要通路。运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。（2）存储器是存放数据和程序的部件。计算机中的存储器按功能分为主存、辅存 和高速缓冲存储器CACHE,由这3类存储器构成存储系统的层次结构。（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄 存器、指令译码器和时序控制器等部件。（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。2.2主要技术要点2.2.1 ALU 部件ALU部

10、件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结 构是先行进位加法器。74181是国际流行的4位ALU中规模集成电路，能对两个4位二 进制代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。16种运算 又由S3S2S1S0四位控制选择。用Cn表示ALU的最低位进位输入，用n+4表示ALU 的进位输出信号。2.2.2. 存储体静态MOS存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储 单元的集合。地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应 的读写电路。控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。2.2.3 控

11、制器CPU 的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执 行完成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下：（1）指令计数器：存放要执行的下一条指令的地址（2）指令寄存器：存放现行指令（3）指令译码器：对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号 形成部件（4）脉冲源及启停控制电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的 时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生于停止，实现对机 器的启动和停机。（5）时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节 拍、工作脉冲等时序信号。操作控制信号形成部件产生指令所需

12、要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式 或可编程逻辑阵列 PLA 方式。微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控 制步编成一条微指令。微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每 一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。微指令序列称为微程序，每一条机器 指令对应一段微程序。计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。 每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微 指令的地址。第 3 章 系统设计与实现3.1 模型机结构运算器ALU由U7-U10四片7

13、4LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS237构 成，暂存器2由U5-U6两片74LS237构成。微控器部分控存由U13-U15三片2816构 成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器 部分由两片 6116 构成 16 位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为 00H-FFH。输出设备有底板上的四个LED数码管及其译码器、驱动电路构成，当D-G和W/R 均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由 16位电 平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上 数据总线。在键

14、盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直 接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可因不用3.2 程序设计原理3.2.1 数据格式及指令格式（1）数据格式本模型机规定数据采用整数表示，字长为 16位。（2）指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指 令、访问及转移指令和停机指令。1 算术逻辑指令。设计九条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如表下：3.1 算术逻辑指令格式7 6 5 43 21 0RS 或 RD选定的寄存器00R001R110R2OP-CODE其中，OP-CODEaddrRD的寄存器，并规定：2 访问指令及

15、转移指令。表 3.3 访问、转移指令格式模型机设计两条访问指令，即存数、取数，转移指令，无条件转移(JMP)、 指令格式如下7 65 43 21 00 0MOP-CODERDD其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址。D为位移量，M为寻 址模式，表定如下寻址模式定义寻址模式M有效地址E说明00E= D立即数寻址01E=(D)直接寻址10E=(PC)+D间接寻址3 I/O 指令。7 6 5 4OP-CODE输入旳和输出表3指令输入输出令指令格下其中，addr=01时，选中输 入设备，addr=10时，选中输出设备。3.2.2 指令系统本实验共14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出鑿3.6,各条指令条指令格式；汇编符号和指令功3.3机器指令设计地址机器码助记符号说明00