计算机组成原理课程设计-基本模型机的设计与实现

1、沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 基本模型机的设计与实现（第 3 组）系 别 信息工程系 班级 计本082 学生姓名 学号 01 指导教师 职称 副教授、教授 起止日期：2011年1月3日起至2011年1月9日止沈 阳 工 程 学 院课程设计任务书课程设计题目：基本模型机的设计与实现（第3 组）系 别 信息工程系 班级 计本082 学生姓名 学号 01 指导教师 职称 副教授、教授 课程设计进行地点： 计算机组成原理实验室 任 务 下 达 时 间： 2010年12月24日起止日期：2011年1月3日起至2011年1月9日止教研室主任 王健 2010年12月22日批准一、课程设计的

2、原始资料及依据查阅有关计算机组成原理的教材、实验指导书等资料，进一步熟悉微程序控制器原理，微指令的设计方法。在掌握运算器、存储器、微程序控制器等部件的单元电路实验的基础上，进一步将各部件组成系统，构造一台基本模型计算机。为给定的机器指令编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。二、课程设计主要内容及要求1认真阅读资料，掌握设计题目所要求的机器指令的操作功能。除4条必做指令外，每组另外设计1条机器指令。2条选做指令，供有能力的学生完成。全部机器指令如下：要求机器指令助记符操作功能说明设计组编号机器指令助记符操作功能说明必做IN“DATA UNIT”开关R0第4组AAS addrR0+(R0 AN

3、D addr)R0必做ADD addrR0+addraddr第5组ROA addr必做SUA addrR0-addraddr第6组OR addr,6addr OR 6R0必做JMP addraddrPC第7组NAN addr第1组INC addr,9addr + 9R0第8组SUB 15,addr15-addrR0第2组ZER addr0addr选做NOT addr第3组SEC addrR0-addr-1R0选做RAA addrR0 AND addrR02为所要设计的机器指令设计操作码和操作数，并安排其在RAM芯片6116中的地址。形成“机器指令表”3分析并理解数据通路图。根据数据通路图画出给

4、定的机器指令的微程序流程图。4根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序，形成“二进制微指令代码表”。5全部微程序设计完毕后，按照课程设计指导书中给出的电路接线图连接线路。6将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。7执行控制台操作微指令，进行机器指令程序的装入和检查。8运行程序，检查结果是否和理论值一致。9记录出现故障的现象，并对故障进行分析，说明排除故障的思路及故障性质。10独立思考，认真设计。遵守课程设计时间安排。 11认真书写课程设计说明书，避免相互抄袭。 三、对课程设计说明书撰写内容、格式、字数的要求1课程设计说明书是体现和总结课程设计成果的载体，主要内容包括：设计题

5、目、设计目的、设备器材、设计原理、设计内容、设计步骤、实现方法及关键技术、遇到的问题及解决方法、设计总结等。一般不应少于3000字。2在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。3设计总结部分主要写本人设计期间所做工作简介、得到了哪些设计成果、以及自己的设计体会，包括通过课程设计有何收获，程序有哪些不足之处，哪里遇到了困难，解决的办法，以及今后的目标。4课程设计说明书手写或打印均可，具体要求如下： 手写时要用统一的课程设计用纸格式，用黑或蓝黑墨水工整书写； 打印时采用A4纸，页边距均为20m

6、m，目录、各章标题(如: 2 设计原理及内容)和设计总结等部分的标题用小三号黑体，上下各空1行，居中书写；一级节标题(如: 2.1 设计原理)采用黑体四号字，二级节标题(如: 2.1.1数据通路)采用黑体小四号字，左对齐书写。 正文采用宋体小四号字，行间距18磅，每个自然段首行缩进2个字。 图和表的要有编号和标题，如：图2.1数据通路图；表1.1机器指令表。图题与表题采用宋体五号字。表格内和插图中的文字一般用宋体五号字，在保证清楚的前提下也可用更小号的字体。 英文字体和数字采用Time New Roman字体，与中文混排的英文字号应与周围的汉字大小一致。 页码用五号字，在每页底端居中放置。5课

7、程设计说明书装订顺序为：封面、任务书、成绩评定表、设计小组任务分配及自评、目录、正文、设计总结。在左侧用订书钉装订，不要使用塑料夹。6设计小组任务分配及自评处注明设计组编号、设计组组长、设计组成员，并由设计组组长给出评语。包括该同学主要完成了哪些任务，课程设计期间的表现和态度如何，组长自己的评语由小组其他成员集体讨论后写出。四、设计完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求1完成题目要求的机器指令的操作功能，微程序运行稳定。2提交课程设计说明书打印版及Word文件。五、时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注1第1天（1月3日）阅读资料、系统分析设计2第2天（1月4日）系统分析设

8、计、微程序编制3第3-4天（1月5-6日）微程序输入、调试及运行4第5天（1月7日）基本模型机运行验收、答辩5第6-7天（1月8-9日）撰写课程设计说明书六、主要参考资料（文献）1王健、王德君.计算机组成原理实验指导书.沈阳工程学院,2009 2白中英.计算机组成原理 (第4版).北京:科学出版社,20083蒋本珊.计算机组成原理.北京:清华大学出版社,20054唐朔飞.计算机组成原理.北京:高等教育出版社,2003沈 阳 工 程 学 院计算机组成原理课程设计成绩评定表系（部）： 信息工程系 班级： 计本082 学生姓名： 郭雯宇 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分

9、加权分工作态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况良好。0.15432工作能力认真阅读课程设计指导书及其他参考书籍，理解设计原理；能设计机器指令，独立绘制指令周期流程图，为微指令编码；线路连接正确，遇到问题能够深入分析并解决。0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以8） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅资

10、料查阅资料较广泛，有综合归纳资料的能力。0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以4）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日答 辩 小 组 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分学生汇报操作演示汇报准备充分，语言表达准确，概念清楚，描述正确；操作熟练、微程序运行正常；基本上反映了所完成任务的全部内容。0.55432答 辩思路清晰；回答问题有理论依据，基本概念清楚；主要问题回答正确并迅速，有说服

11、力。0.55432答辩小组评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计答辩小组教师签名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分目录目录11 设计内容及目标1.1 设计题目11.2 设计目的11.3 实验器材11.4 设计内容12 设计原理32.1 设计基本原理32.2 需要执行的机器指令32.3 数据通路32.4 微指令格式42.5 微程序地址的转移52.6机器指令的写入、读出和执行73 设计步骤93.1编写机器指令和数据地址分配93.2 指令流程图93.3 编写微指令103.4 连接试验线路113.5 写程序113.5.1 写微指令代码123.5.2 微指令代码检验123.5.3 写机器指

12、令123.5.2 机器指令检验133.6运行程序133.6.1 单步运行程序133.6.2 连续运行程序134 遇到的问题及解决方法144.1 遇到的问题144.2 解决方法145 总结16参考文献171 设计内容及目标1.1 设计题目基本模型机的设计与实现1.2 设计目的1. 在掌握部件单元电路的基础上，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，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。1.3 实验器材TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。1.4 设计内容1. 认真阅读资料，掌握设计题目所要求的机器指令的操作功能。除4条必做指令外，每组另外设计

13、1条机器指令。我们组设计的指令如下所示。表1.1 设计指令要求机器指令助记符操作功能说明必做IN“DATA UNIT”开关R0必做ADD addrR0+addraddr必做SUA addrR0-addraddr必做JMP addraddrPC第3组SEC addrR0-addr-1R02. 为所要设计的机器指令设计操作码和操作数，并安排其在RAM芯片6116中的地址。形成“机器指令表”。3. 分析并理解数据通路图。根据数据通路图画出给定的机器指令的微程序流程图。4. 根据微指令格式编写每条机器指令对应的微程序，形成“二进制微指令代码表”。5全部微程序设计完毕后，按照课程设计指导书中给出的电路接

14、线图连接线路。6将微程序中各个微指令正确地写入E2PROM芯片2816中。7执行控制台操作微指令，进行机器指令程序的装入和检查。8运行程序，检查结果是否和理论值一致。9记录出现故障的现象，并对故障进行分析，说明排除故障的思路及故障性质。10独立思考，认真设计。遵守课程设计时间安排。 2设计原理2.1 设计基本原理以前的部件实验过程中，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。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

15、一个微程序。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 需要执行的机器指令本次设计将完成五条机器指令的微程序设计：IN(输入)、ADD(二进制加法)、SUA(二进制减法)、SEC 、JMP(无条件转移)，其指令格式如表2.1所示。表2.1 机器指令格式助记符机器指令码说 明IN0000 0000“DATA UNIT”中的开关状

16、态R0ADD addr0001 0000 XXXXXXXXR0+addraddrSUA addr0010 0000 XXXXXXXXR0-addraddrSEC addr0011 0000 XXXXXXXXR0-addr-1R0JMP addr0100 0000 XXXXXXXXaddrPC其中机器指令码的最高4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。其中SEC addr由我负责。2.3 数据通路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：片选信号CE=0为有效电平，CE=1为无效电平。WE=1为写入，WE=0为读出

17、。LOAD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。M=0为算术运算，M=1为逻辑运算。Cn=0表示运算开始时低位有进位，否则低位无进位。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。图2.2 微指令格式其中UA5UA0为下一条微指令微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多种不同控制信号。A字段中的LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B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

18、器R0、R1及R2的选通译码。C字段中的P(1)P(4)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微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3所示。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。注意：根据后面的实验接线图，A字段的LDRi与数据通路图中的LDR0为同一个信号。B字段的RS-B与数据通路图中的R0-B为同一个信号。2.5 微程序地址的转移本实验系统的指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把该指令从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，

19、为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”(实验板上标有“INS DECODE”的芯片)根据指令中的操作码译码后的结果，将微控器单元的微地址修改为下一条微指令的地址。地址修改要依靠实验系统的微程序地址转移电路来完成，该电路如图2.3所示。图2.3 微程序地址转移电路注意：FC：进位标志FZ：0标志SWA、SWB存储器读写控制标志P（1）P（4）：微指令C字段译码输出结果I2I7：机器指令第2位第7位。根据该逻辑电路图，得SE1SE5的逻辑表达式如下： 由这些逻辑表达式可知：由于P（1）P（4）微指令中C字段译码后的部分输出，

20、所以它们至多有一个有效（低电平）。当P（1）有效时，在T4时刻，可以通过对I4I7置“1”，使对应的SE1SE4有效（低电平）。当P（2）有效时，在T4时刻，可以通过对I2I3置“1”，使对应的SE1SE2有效（低电平）。当P（3）有效时，在T4时刻，标志位FZ或者FC有效（高电平）使SE7有效（低电平）。当P（4）有效时，在T时刻，外部输入控制信号SWA或者SWB有效（高电平），使SE1SE2有效（低电平）。2.6机器指令的写入、读出和执行为了向RAM中装入机器指令程序和数据，检查写入是否正确，并能启动机器指令程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作(KRD)：拨动总清开关CL

21、R（使CLR从101）后，控制台开关SWB、SWA置为“0 0”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置为“0 1”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“1 1”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取指”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2.2所示。表2.2 控制台指令SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)ll启动程序(RP)三个控制台操作微程序的流

22、程如图2.4所示。图2.4 控制台操作微程序流程图注意：控制台操作微程序流程图中方框右上角的数字代表该条微指令的地址，用八进制数表示。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，余下的微指令可以存放在控制存储器的其他任意单元中。当设计“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取指”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(IR7IR4)作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。3 设计步骤3.1编写机器指令和数据地址分配

23、根据课程设计要求及课程设计任务书我将要完成一条机器指令的微程序设计：SEC addr，具体操作为R0-addr-1R0。结合表2.1机器指令格式，根据本次课程设计需要设计出的机器指令程序如表3.1所示，其中机器指令地址可根据需要修改。机器指令程序及数据存放地址如表3.1所示。表3.1 机器指令程序及数据存放地址地址（二进制）内容（二进制） 助记符 说明0000 00010000 0000INSWR00000 00100001 0000ADD 0AHR0+0AH R00000 00110000 10100000 01000010 0000SUA0BHR0-0BH0BH0000 01010000

24、10110000 01100011 0000SEC0CHR0-0CH-1R00000 01110000 11000000 10000100 0000JMP01H01HPC0000 10010000 00010000 10100111 1010任意0000 10110001 0010任意0000 11000010 1001任意3.2 指令流程图根据机器指令的操作和数据通路图，设计各指令对应的指令周期流程图如图3.1所示。图3.1 指令周期流程图3.3 编写微指令根据图3.2指令周期流程图，设计各机器指令的微程序如表2.3中的机器指令设计的为指令如下表3.2所示。表3.2 微指令编码操作微地址S3

25、 S2 S1 S0 M CN WE CE LDPCABCua5-ua0KT000 0000 0 0 0 0 0 0 1 1101110100010 000010 0000 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 010010 0100 0 0 0 0 0 0 0 0000000000010 000010 0010 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 100010 1000 0 0 0 0 0 1 0 0000110000010 001010 0110 0 0 0 0 0 0 1 1110111000010 110010 1100 0 0 0 0 0 0 0

26、0100000001011 000SEC101 0110 0 0 0 0 0 0 1 1110111000110 111111 0010 0 0 0 0 0 0 1 0010001000111 010111 0100 1 1 0 0 1 0 1 0001101000010 011110 1110 0 0 0 0 0 0 0 0110000000111 000111 0000 0 0 0 0 0 0 0 1111000000111 0013.4 连接试验线路按图3.2连接实验线路，仔细查线路无误后接通电源。图3.2实验接线图3.5 写程序3.5.1 写微指令代码按如下步骤讲微代码写入微控器中的存

27、储器2816中：1. 将编程开关置为PROM（编程）状态。2. 将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。3. 用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。4. 在MK24MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。5. 启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816的相应地址对应的单元中。6. 重复15步骤，将微代码写入2816中。3.5.2 微指令代码检验1. 按如下步骤校验微代码：2. 将编程开关置为READ（校验）状态。3. 将实验板上“STATE UNIT”中

28、的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。4. 用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。5. 启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。观察显示灯MD24MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关6. 置于PROM编程状态，重新执行3即可。3.5.3 写机器指令使用控制台KWE 和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查：1. 使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2. 拨动总清开关CLR（101），微地址寄存器清零。此时用“DATA UNIT”单元的8位二进制开关给

29、出要写入RAM区的首地址，控制台SWA、SWB开关置为“1 0”，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“”，再按动一次START，微地址灯显示“”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动一次START键，即完成该条指令的写入。机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。3.5.2 机器指令检验写完程序后须进行校验。拨动总清开关CLR（101）后，微地址清零。此时用“DATA UNIT”单元的8位二进制开关置要读的RAM区的首地址，控制台开关SWA、SWB为“0 0”，按动启动START，

30、微地址灯显示“”，再按动START，微地址灯显示为“”，第三次按START，微地址灯显示为“”，此时总线单元的显示灯显示为该首地址的内容。不断按动START，可检查后续单元内容，注意：每次仅在微地址灯显示为“”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。3.6运行程序3.6.1 单步运行程序1. 使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2. 拨动总清开关CLR（101），微地址清零。3. 将“DATA UNIT”的8位数据开关（D7D0）设为设置好的机器指令首地址（80H）。4. 按动START键，单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步

31、运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。5. 当运行结束后，可检查存数单元中的结果是否和理论值一致。3.6.2 连续运行程序1. 使“START UNIT”中的STEP开关置为“EXEC”状态，STOP开关置为“RUN”状态。2. 将“DATA UNIT”的8位二进制开关设置为机器指令程序首地址（80H），然后按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。3. 停机后，可检查存数单元结果是否正确。4 遇到的问题及解决方法4.1 遇到的问题1. 机器指令无法输入2. 机器指令在执行过程中被修改3. 微指令执行过程中不按机器指令的设计顺序执

32、行4. 微指令编码错误5. 接线错误6. 流程图设计的细节问题4.2 解决方法1. 机器指令无法输入及接线错误在输入指令时，需要SWB SWA为01是才可以输入，可是我们的实验箱却是SWB SWA为10才可以输入指令，在老师的帮助下，我们修改了微指令的起始地址和部分微指令。老师还找到了我们的接线错误，改正以后发现SWB SWA为01时是可以输入的。问题的关键是我们的接线问题而不是实验箱的起始地址问题。2. 机器指令在执行过程中被修改我们发现每次输入机器指令后检查时总是正确的，可是一执行机器指令后在查看时却不再是我们输入的指令，我们决定修改机器指令存放的地址，修改后发现指令依旧不按照我们设置的顺

33、序执行，最后请教老师，老师让我们差指令是否修改发现没有修改，因为我们的输入指示灯有一个不灵，把该为永远为“1”，结果忘记修改微指令的编码了，致使指令依旧不按我们预设的步骤执行。最后我们就决定继续修改机器指令的地址。3. 微指令执行过程中不按机器指令的设计顺序执行及流程图设计的细节问题我们指令在执行过程中总是不停的执行JMP指令，而其他的指令总是不能够完整的执行，我们不停的检验机器指令和微指令是否已经被修改了。结果是正确的，突然有个同学说访问RAM的指令和访问寄存器的指令应该分开，不应该在指令流程图掺杂，我们重画了指令流程图并修改了部分的微指令编码。4. 微指令编码错误我们修改完指令流程图后，重新输入了微指令和机器指令，调试运行程序，指令终于按照预计的顺序执行了。可是实验箱断电后，在加电输入机器指令后，指令的执行又错了，我们只好逐条的检查机器指令和微指令，微指令有几条错了，重新输入微指令后，本以为可以正确运行了，可是指令在执行过程中执行不到JMP指令，