计算机组成原理课程设计--模型机的设计与实现.docxVIP

计算机信息工程学院《计算机组成原理》课程设计报告题目：模型机的设计与实现专业：计算机科学与技术（网络方向）班级：学号：姓名：指导教师：完成日期：目录一、设计概述21.1设计目的2二、设计原理及内容32.1设计基本原理32.2需执行的机器指令32.3数据通路图42.4微指令格式52.5微程序地址的转移52.6机器指令的写入、读出和执行6三、设计步骤83.1编写机器指令83.2绘制微程序流程图83.3绘制微指令93.4连接实验线路103.5写指令103.5.1写微指令103.5.2写机器指令11四、运行结果11参考文献12一、设计概述1.1设计目的随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现，它正体现了这一点。利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。本次设计完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，将第一部分中的各单元组成系统，构造一台基本模型计算机。1.掌握机器指令与微程序的对应关系。2.掌握机器指令的执行流程。3.掌握机器指令的微程序的编制、写入。4.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将组成系统，构成一台基本模型计算机。5.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。二、设计原理及内容2.1设计基本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，如运算器实验中对74LS－181芯片的控制，存储器实验中对存储器芯片的控制信号，以及几个实验中对输入设备的控制。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段微程序。本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关(DATA UNIT)，它作为输入设备；另一种是发光二极管(BUS UNIT上的一组发光二极管)，它作为输出设备。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线BUS上，驱动发光二极管显示。2.2需执行的机器指令本次设计采用五条机器指令；IN(输入)、ADD（加）、OR(或)、OUT(输出)、NOT(加3取反)、JMP(无条件转移)，其指令格式如表2-1所示。助记符机器指令码说明IN0000 0000“DATA UNIT”中的开关状态→R0ADD [addr]0001 0000 XXXXXXXXR0+[addr]→[addr]OR [addr]0010 0000 XXXXXXXXR0 OR [addr]-R0NOR [addr]0011 0000 XXXXXXXXOUT [addr]0100 0000 XXXXXXXX[addr]→BUSJMP addr0101 0000 XXXXXXXXaddr→PC表2-1 机器指令格式表其中机器指令码的最高8位为操作码。IN为单字长(8位)，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。2.3数据通路图实验系统的数据通路图，如图2.1所示。图2.1 数据通路图注意：⒈片选信号CE=0为有效电平，CE=1为无效电平。⒉WE=1为写入，WE=0为读出。⒊LOAD和LDPC同时为“1”时，可将总线上的数据装入到PC中；LDPC为“1”，同时LOAD为“0”时，将PC中内容加1。⒋M=0为算术运算，M=1为逻辑运算。⒌CN=0表示运算开始时低位有进位，否则低位无进位。图2.1中包括运算器、存储器、微控器、输入设备、输出设备以及寄存器。这些部件的动作控制信号都有微控器根据微指令产生。需要特别说明的是由机器指令构成的程序存放在存储器中，而每条机器指令对应的微程序存储在微控器中的存储器中。2.4微指令格式微指令字长共24位，其控制位顺序如图2.2所示。242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnwECeLDPCABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0B字段121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110SW-B111PC-BC字段987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101ARA字段151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDA