计算机组成原理组成课程设计

1、计算机组成原理课程设计报告设计题目：中央处理器-微程序控制器设计院系：计算机科学与技术学院班级：2012 级4班设计者：指导教师：吴戴明设计时间：一、课题分析、设计目的 、设计任务 、课程设计题目分析 课题设计准备读/写操作的认识二、 总体设计 5、设计原理 功能设计三、方案比较四、分步设计小组成员设计任务分配微程序控制器的设计设计要求设计内容、指令周期流程图、机器指令设计 错误!未指定书签。系统组成框图、各部件功能微指令格式微程序流程图 数据连通图和接线图 五、设计成果 运行结果课程设计的收获六、存在问题及改进建议 七、参考文献及相关网址 17一、 课题分析通过计算机组成原理理论课和几次实验

2、的学习，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。在设计基本模型机的实验基础上，完成这次的课程设计。这次的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。、设计目的计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组 成与结构课程的基本内

3、容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养 学生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。、设计任务设计一个 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。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，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，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，写出完整的设计报告。、课程设计题目分析基于我们对简单和复杂模型机的理解和实验，我们对课程设计分析1.3.1 、课题设计准备、确定设计目标确

4、定所设计计算机的功能和用途。、确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令 及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。、总体结构与数据通路总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。 在 此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行 指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。、设计指令执行流程数据通路确定后， 就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，

5、需考虑哪些微操作可以安 排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。、确定微程序地址根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。、微指令代码化根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应 的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。、组装、调试在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工 作正常后，才能保证整机的正常运行。1.3.2 读/ 写操作的认识机器指令码的前 4 位为操作码。其中 IN 为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXX为addr对应的二进制地址码。为了向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

6、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SWBSWA设 置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。启动程序（RUN：拨动总清开关CLR后,控制台开关SWBSWA设置为“ 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勺状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台命令00读内存（READ01写内存（WRITE11启动程

7、序运行（RUN总体设计、设计原理CPU由运算器（ALL）、微程序控制器（MC、通用寄存器（RO、指令 寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR组成，如图1所示。 这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机 器指令一般存放在主存当中，CPL必须和主存挂接后，才有实际的意义， 所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1 基本CPU构成原理图功能设计本模型机和前面微程序控制器实验相比，共有5条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT输出）、JMP无条件转移）、HLT（停机），其指令格式如下：助记符实现功能

8、机器指令代码IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R00000 0000MUL(R0，R1)AvB-R00101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000HLTNOP1000 0000均为单字节指令， *为 addr 对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的， 现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。三、方案比较方案一：（1）选定CPU中所使用的产要器件；（2）根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据通 路；（3）根据指令系统、选用的器

9、件和设计指标，设计数据流的数据通 路。计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限 定的数据通路中进行传送。 数据通路不同， 指令所经过的操作过程也不同， 机器的结构也就不样，因此数据通路的设计是至关重要的。所谓数据通 路的设计，也就是确定机器各逻辑部件相对位置的总框图。数据远路的设计，目前还没有非常标准的方法。主要是依据设计者 的经验，并参考现有机器的三种典型形式 (单总线、双总线或三总线结构) ， 根据指令系统的要求，可采用试探方法来完成。其主要步骤如下：(1) 对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与 操作序列，以便决定各器件的类型和数量。(2) 构成一个总框

10、图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初 步确定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技 术指标的要求。(3) 检验全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号。(4) 检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路。方案二:、用基本的五条机器指令编写实验程序。程序如下：(地址和内容都是十六进制， 机器指令的前 4 位为操作码。) 地址 内容 助记符 说明00 00 IN RO, 80H80H R0。数据 80H从实验仪左下方“ INPUTDEVICE中的8位数据开关D7DO输入，存入R0寄存器。0110 ADD R0, (OA) (R0)+(0A) R0。R0寄存

11、器的内容与存储器0A地址单元的内容相加，结果存入 R0寄存器。02 0A03 20 STA(OB), RO RO (OB) 。 RO寄存器的内容与存入存储器 OB 地址单元。O4 OBO5 3O OUT BUS, (OB) (OB) BUS通过总线输出存储器 OB地址单 元的内容。O6 OBO7 4O JMP OO OO PC。无条件转移到OO地址。O8 OOOA O1 存储器OA地址单元的数据，可自定。OB求和结果保存在存储器 OB 地址单元。微指令的微代码如下：(内容是十六进制)十六进制地址 八进制地址 内容 十六进制地址 八 进 制 地 址内容OOOO 1O81O1OD 15 O182O

12、2O1O1 82EDO1OE 16 OFEOOOO2O2 48COOOOF 17 15AOOOO3O3 O4EOOO1O 2O 92EDO1O4O4 O5BOOO11 21 94EDO1O5O5 O6A2O112 22 17AOOOO6O6 O19A9513 23 O18OO1O7O7 ODEOOO14 24 182OOO0810 01100015 25 010A070911 83ED0116 26 81D1000A12 87ED0117 27 100A070B13 8EED0118 30 118A060C14 96ED01、修改和编写实验仪 RAM和ROM数据。方案比较：由于方案二更符合本次

13、课程设计的内容，而且是基于我们平时做的基 本模型机（包括简单模型机和复杂模型机两部分）的基础，所以做起来比 较容易。因此，我们选择了方案二。四、分步设计小组成员设计任务分配表一任务分配表小组成员任务李雪飞曹项飞卫妙珠设计机器指令执行流程指令周期流程图微指令格式微程序流程图数据通路图微指令代码化分配微地址实验电路连接相关文档收集控制台操作编码二进制代码表总体调试运行编与设计报告微程序控制器的设计4.2.1 设计要求1. 将所编写的微程序存储到控制存储器中;2 .用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号；3. 每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻 译成机器指令代

14、码，并记录相关实验结果；4. 提交微程序流程图、对应的二进制微代码表4.2.2设计内容1. 编写出实现自定义指令系统的微程序；2. 将所编写的微程序存储到控制存储器中；3. 在实验箱调试和完成微程序控制器的设计工作；、指令周期流程图始、机器指令设计表二机器指令码设计：助记符实现功能机器指令代码INO(RO)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0 R1)A+B-R00000 0000MUL(R0 R1)AvB-R00101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000HLTNOP1000 0000表三机

15、器指令程序地址（二进制）内容（二进制）助记符说明0000 00000000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001 00000000 00110010 0000STAR0,11HR(H 11H0000 01000001 00010000 01010011 0000OUT 11H11H LED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10H R00000 1001

16、0001 00000000 10100010 0000STAR0,12HR(H 12H0000 10110001 00100000 11000011 0000OUT 12H12H LED0000 11010001 00100000 11100100 0000JMP 00H00HR PC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和结果0001 0011求差结果系统组成框图图3复杂模型机控制器、各部件功能1. LDPC微程序控制器输出的PC加1信号。2. LOAD微程序控制器的输出信号。LOAD= 0时，PC程序计数器处于 并行置数状态；LOA

17、D= 1时，PC处于计数状态。3. ALUk BUS微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否 送到总线BUS低电平有效。4. PC- BUS微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的内容是否送 到总线BUS低电平有效。5. R(- BUS微程序控制器的输出信号，控制寄存器 R0的内容是否送 到总线BUS低电平有效。6. SW BUS微程序控制器的输出信号，控制 8位数据开关SW7SW0 的开关量是否送到总线，低电平有效。7. LDRO微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入寄存器RQ8. LDDR1微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂 存器DR19. LDDR2微程

18、序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂 存器DR210. LDIR微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据 （指令） 输入到指令寄存器IR中。微指令格式表四 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A B、C各字段功能说明:A字段B字段C字段141312选择11109选择876选择000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P010LDB010R0 B010保留011LDR0011保留01保留10 J0J呆留100保留1；0保留101保留101保留10 1保留

19、110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留微程序流程图00_|NOP10+-1PC-ARPC+103MEM-IRINIADDPUT3132IN-R11R0-AHUOOUT严34 :R0-A36R1-OUT35300406Si、A%i33RO-OUTR1-BR1-B05A+B=R007AV B=R0图4 微程序流程图二进制代码表表五二进制代码表地址十六进制高五位S3 S0A字段B字段C字段MA MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001

20、110000011100000400 26 050000000000100110000001010504 B2 010000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 0100011

21、00001000000000000013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C006D5D000000000110110101011101数据连通图和接线图图 5 数据通路图五、设计成果运行结果按照以下功能分别执行：外设输入指令 IN0 R0 、 IN1 R1 二进制加法指令 add R0，R1 输出到外设指令 OUT0 R0、 OUT1 R1 停机指令 HLT课程设计的收获在此次课程设计中， 通过华瑞老师的悉心教导， 让我从中获得了 很多，一开始，我们这学期学习的是理论知识，动手能力很差，在课 程设计中，老师让我们理论联系实际，不仅加强了理论知识，还提高 了我们的动手能