计算机组成原理课程设计.docx
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1、*大学课程设计报告目 录1 绪论21.1课程设计的目的21.2课程设计的意义21.3课程设计的内容与任务要求22需求分析33设计原理33.1实验原理33.2微代码定义43.3数据通路设计64微程序流程及说明74.1微程序流程图设计74.2微程序说明94.2.1 微程序的概念94.2.2 微程序控制器94.2.3 微程序设计105微代码表106机器指令程序116.1二进制机器指令程序116.2格式文件指令程序127线路连接图138调试步骤及结果分析148.1调试步骤148.2调试结果及分析188.2.1错误的调试结果188.2.2正确的调试结果199心得体会与总结25参考文献261 绪论1.1
2、课程设计的目的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. 为其定义五条机器指令,并编写相应微程序,具体上机调试掌握整机概念。1.2 课程设计的意义本课程设计的意义是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上,深入掌握信息流和控制信息流的流动过程,进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念,培养开发和调试计算机的技能。再设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。1.3 课程设计的内容与任务要求内容与任务设计要求:1. 按给定的数据格式和指令系统,理解为程序控制器的设计原理。2. 设计给定机器指令系统
3、遗迹微程序流程图,按微指令格 式写出微程序的微指令代码3. 将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机,组成一台模拟计算机。4. 用微程序控制器控制模型机的数据通路。5. 连接逻辑电路,完成启动、测试、编程、校验和运行,并观测运行过程及结果。6. 通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序,掌握机器指令与微指令的关系,建立计算机的整机概念,掌握计算机的控制机制。2 需求分析一台计算机所能执行的各种指令集合称为指令系统或指令集。一台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。因此,指令系统就是计算机的机器语言。指令系统表征着计算机的基本功能和使用属性,它是计算机系统设计中的核心问题。指令系统的
4、设计主要括指令功能、操作类型的设计,寻址方式和指令格式的设计。 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系,指令系统反映了计算机的主要属性,而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令,而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统,而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。 3 设计原理3.1 实验原理部件实验过程中,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
5、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。本实验采用五条机器指令:IN(输入)、ADD(二进制加法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移)。其中IN为单字长,其余为双字长。为了向RAM中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动执行,还必须设计三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微动开关,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为“01”时,按START微动开关,可对RAM进行连续手动写
6、入。启动程序:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB、SWA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,其定义如表3.1。表3.1 控制台指令定义表SWASWB控制台指令001011读内存(KDR)写内存(KWE)启动程序(RP)3.2 微代码定义微代码定义如表3.2所示。表3.2 微代码定义表24232221201918171615 14 13 12 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0上述微代码定义表中字段A,B,C的内容如
7、表3.3所示。表3.3 A,B,C字段内容表A字段 B字段 C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P(1)010LDDR1010RD-B010P(2)011LDDR2011RI-B011P(3)100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU_B101AR110LDAR110PC_B110LDPC当拟定“取址”微指令时,该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令,因此 P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作为测试条件,出现5路分支
8、,占用5个固定微地址单元。控制台操作为 P(4)测试,它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件,出现了3路分支,占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后,剩下的其他地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。注意:微程序六流程图上的单元地址为8进制。3.3 数据通路设计根据以上要求设计数据通路框图,如图3.3所示:图3.3 数据通路框图4 微程序流程及说明4.1 微程序流程图设计按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图,如图4.1和图4.2所示:图4.1 微程序流程图10101010101P(1)SW-R0PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1RAM
9、-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-DR2R0-DR1(DR1)+(DR2)-R0RAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-ARRAM-BUSBUS-PCR0-BUSBUS-RAMRAM-BUSBUS-DR1DR1-LED01PC-ARPC+102RAM-BUSBUS-IR 运行微程序 10 IN ADD STA OUT JMP 10 11 12 13 14 03 07 16 26 04 15 17 05 25图4.2 微程序流程图24.2 微程序说明4.2.1 微程序的概念1、概念:微程序是由若干条微指令组成的序列。在计算机中,一条机器指令的功能可由若干条指令组成的微程序来解释和
10、执行。2、在一般数字系统中,微程序相当于前述的ASM流程图,也就是将控制器的控制算法变成了微程序流程图,并用EPROM来实现。3、微程序概念的引入,使大型复杂数字系统控制器的设计发生了革命性的变化。因为微程序技术可代替硬件布线的控制技术,即由门电路和触发器等组成的硬件网络可被存有控制代码的EPROM存储器所取代。4.2.2 微程序控制器1、微程序控制的优点:微程序控制技术可代替直接由硬件连线的控制技术。由于微程序控制方法规整性好,灵活方便,通用性强,因此在大型复杂的数字系统设计中广泛应用,成为控制器的主流设计方法。2、微程序控制的基本思想:微程序控制的基本思想,就是仿照通常的解题程序的方法,把
11、所有的控制命令信号汇集在一起编码成所谓的微指令,再由微指令组成微程序,存放在一个EPROM里。系统运行时,一条又一条地读出这些微指令,产生执行部件所需要的各种控制信号,从而驱动执行部件进行所规定的操作。3、微指令的结构:控制器通过一条条控制线向执行部件发出各种控制命令,我们把这些控制命令叫做微命令。而执行部件接受微命令所执行的操作叫做微操作。在系统的一个基本状态周期(又称机器周期)中,一组实现一定操作功能的微命令的组合,构成一条微指令。4.2.3 微程序设计设计微程序,就是确定微程序流程图,也就是控制算法流程图。微程序流程图中的一条微指令,相当于ASM流程图中的一个状态。由于控制存储器有足够的
12、容量,状态分配和状态化简这两种传统技术在微程序设计中已失去意义。控制存储器中一个地址转移到下一个地址是随意的,灵活的。因此增加微指令或减少微指令不必改动硬件。总之,以微指令结构为基础,就可以设计任何所要求的微程序,可长可短,灵活自如,且能实现多路并行转移,而不受“状态分配”的限制。5 微代码表当全部为程序实际完后,应将每条微指令代码化,根据上述微程序流程图按微指令格式化转换二进制代码表,如表5.1所示:表5.1 二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010
13、0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 1 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 0
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