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1、计算机组成原理课程设计实验报告一、 程序设计 11、程序设计目的12、程序设计基本原理1二、课程设计任务及分析6三、设计原理71、机器指令72、微程序流程图93、微指令代码104、课程设计实现步骤11四、实验设计结果与分析15五、实验设计小结15六、 参考文献 15一、程序设计1、程序设计目的（1）在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本 模型计算机。（2使用简单模型机和复杂模型机的部分机器指令，并编写相应的微程序， 具体上机调试掌握整机概念。（3）掌握微程序控制器的组成原理。（4）掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。（5）通过课程设计，使学生将掌握的计算机组成基本
2、理论应用于实践中，在 实际操作中加深对计算机各部件的组成和工作原理的理解，掌握微程序 计算机中指令和微指令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运 行过程。2、程序设计基本原理（1）实验模型机结构1 运算器单元（ALU UINT）运算器单元由以下部分构成:两片74LS181构成了并一串型8位ALU； 两个8位寄存器DR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运 算结果。ALU的S0S3为运算控制端，Cn为最低进位输入，M为状 态控制端。ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由 ALU-B控制该三态门。2 寄存器堆单元（REG UNIT）该部分由3片8位寄存器R0、R1、R2组
3、成，它们用来保存操作数 用中间运算结构等。三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由 LDRi和RS-B根据机器指令进行选通。3 指令寄存器单元（INS UNIT）指令寄存器单元中指令寄存器（IR）构成模型机时用它作为指令译码 电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。4 时序电路单元（STATE UNIT）用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。5 微控器电路单元（MICRO-CONTROLLER UNIT）微控器主要用来完成接受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相 应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释 或执行的工作。由输入的W/R信号控制微代码的输出锁
4、存。由程序计 数器（PC）和地址寄存器（AR）实现程序的取指功能。6 逻辑译码单元（LOG UNIT）用来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，及工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。7 主存储器单元（MAIN MEM）用于存储实验中的机器指令。8 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE）输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输 出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。*该CPU数据结构通路框图如下：（2）机器指令的结构和功能部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本 次
5、课设是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个微程序。模型机设计四大类 指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问存储器及转移 指令和停机指令。1算术逻辑指令设计9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，其格式如下：D7D6 D5D4D3D2D1DOOP-CODERsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定:选中的寄存器(Rs或Rd)R0R1R2
6、寄存器的编码0001102 访存指令及转移指令模型机设计2条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)、2条转移指令， 即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。其格式如下：D7 D6D5 D4D3 D2D1 D0D7D0OP-CODEMOP-CODERdD其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：寻址方式有效地址说明00E=D直接寻址01E= (D)间接寻址10E= (%) +D%变址寻址11E= (PC) +D相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。3 I/O指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：
7、D7D6 D5D4D3D2D1D0OP-CODEaddrRd其中，addr=01时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。4 停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格 式如下：D7D6 D5D4D3D2D1D00 1 1 00000(3) 指令系统1本模型机共有16条基本指令。其中，算术逻辑指令9条，访问内存 指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列 出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 复杂模型机指令系统序号汇编符号指令格式功能说明1CLR Rd0111 00 R
8、d0一Rd2MOV Rs，Rd1000 Rs RdRsRd3ADC Rs，Rd1001 Rs RdRs+Rd+CyRd4SBC Rs，Rd1010 Rs RdRs RdCyRd5INC Rd1011 - RdRd+1Rd6AND Rs，Rd1100 Rs RdRsARd 一Rd7COM Rd1101 00 RdRd 一Rd8RRC Rs，Rd1110 Rs RdRs带进位右循环一位，RsRd9RLC Rs，Rd1111 Rs RdRs带进位左循环一位，RsRd10LDA M,D, Rd00 M 00 %，DERd11sTA M,D, Rd00 M 01 %， DRdE12JMP M,D00 M
9、 10 00， DEPC13BZC M,D00 M 11 00， D当 CY=1 或 ZI=1 时，EPC14IN addr, %0100 01 RdaddrRd15OUT addr, %0101 10 RdRdaddr16HALT0110 00 00停机2微指令格式表2 复杂模型机微指令结构图微程序2423222120L918171615141312L1 :一 0 9187654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G00
10、1P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由 三个控制位译码出多位。P字段中的P1P4是四个测试字位，其功能是根据 机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而 实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于“取指令” 微指令，它用下址低四位（uA3uA0）与指令寄存器高四位（IR7IR4）相 或得到各路分支；P2测试用下址低2位（uA
11、1uA0）与指令寄存器的IR3IR2 相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4与（ZI +CY）相 或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位（uA1uA0）与 SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。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。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G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。三字 段中的其他位类似与此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机 器指令来进行相应芯片的选通译码。为
12、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 为“01 ”时，按START微动开关，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
13、控制台指令00读内存01写内存11启动程序二、课程设计任务及分析从输入设备中读取数据X并将其存入以K为直接地址的内存单元，计 算2X，取反后加X减1并将结果存入以N为间接地址的内存单元，最后输 出。在进行这一次设计之前，我们先明确的这次设计的大体过程，画大体图一 汇编程序一流程图一微指令代码一检查，然后我们进行了下一步骤，观察任 务在进行这一次的设计之时首先我们看见了在读取与储存时的两种不同的寻 址方式，想到了这两种的不同，具体表示在流程图上面就是间接寻址要通过 地址先找地址再找数据所以要分两次，然后我们又看了看我们的运算所需要 的过程，参考书本后，我们决定了将2X通过一次X加X算术运算来实现， 由于2X的取反只需要做非运算即可，非运算书上有，加法运算书上有，减1 运算书上面也有，于是我们就决定在预算过程过程中通过4次来实现，所以 我们想到了先计算X加X然后在将2X求非再加X最后减1的运算流程，于 是一个初步的构想于是就这样形成了，在写汇编程序时候我们也是忠实的按 照这个构想来写的。设计顺序大致如下：先画出了程序的流程，然后写出了 汇编程序，并且写出了机器指令，其次我们完成了总体的流程图，然后根据 流程图写出了微指令以及微指令代码，将机器指令代码与微指令代码写成了 一
