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： 2015.1.7一、课题分析1.1、设计目的1.2、设计任务1.3、课程设计题目分析 1.3.1课题设计准备1.3.2读/写操作的认识二、 总体设计 52.1、设计原理2.2功能设计三、方案比较四、分步设计4.1小组成员设计任务分配4.2微程序控制器的设计4.2.1 设计要求4.3、指令周期流程图4.4、 机器指令设计 错误!未指定书签4.5系统组成框图4.6、各部件功能4.7微指令格式4.8微程序流程图4.10数据连通图和接线图 五、设计成果5.

2、1运行结果5.2课程设计的收获六、存在问题及改进建议 17七、参考文献及相关网址 一、课题分析通过计算机组成原理理论课和几次实验的学习，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。1.1 、设计目的

3、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。1.2 、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

4、案和电路图，写出完整的设计报告。1.3 、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、确定设计目标1.3.1 、课题设计准备确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

5、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，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兀中。、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

6、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

7、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启动程序运行（RUN总体设计CPU由运算器（ALU、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，但是机器指般存放在主存当中，CPU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勾成原理图2.2 功能设计本模型机和前面微程序控制器

8、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：助记符实现功能机器指令代码IN0(R0)A->R00010 0000IN1(R1)B->R10011 0000ADD(R0， R1) A+B->R00000 0000MUL(R0， R1) AvB->R0 0101 0000AND(R0,R1) AB->R0 0110 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

9、动给出的，现在要求 CPU自动从存储器读取指令并执行。方案比较(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

10、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0B求和结果保存在存储器 0B 地址单元、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

11、 助记符 说明0000 IN RO, 80H 80H R0。数据 80H 从实验仪左下方 “INPUT DEVICE 中的 8位数据开关D7D0输入，存入R0寄存器。0110 ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0 。 R0寄存器的内容与存储器 0A地址单元的内容相加，结果存入R0寄存器。020A0320STA(0B), R0R0 (0B)。 R0寄存器的内容与存入存储器 0B地址单元040B0530OUT BUS, (0B) (0B) BUS。通过总线输出存储器 0B地址单元的内容。060B0740JMP 0000 PC。无条件转移到00地址。08000A01存储器0A地址单元的数

12、据，可自定。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108101 0D 1582ED01 0E 1648C000 0F 1704E000 10 2005B000 11 2106A201 12 22019A95 13 230DE000 14 24011000 15 2583ED01 16 2687ED01 17 278EED01 18 3096ED0100 0001 0102 0203 0304 0405 0506 0607 0708 1009 110A 120B 130C 140182020FE00015A00092ED0194ED

13、0117A000018001182000010A0781D100100A07118A06、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，我们选择了四、 分步设计4.1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 微程序流程图 分配微地址 控制台操作编码 编写设计报告指令周期流程图 数据通路图 实验电路连接 二进制代码表微指令格式微指令代码化相关文档收集总体调试运行4.2微程序控制器的设计4.2.1 设计要求1 将所编写

14、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,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422设计内容并把源程序翻译成机器指令代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;4.3、指令周期流程图1r取*指指MOV旨令运算指MMIRMM> DIRPC+1ALU运算MIM> IRIRuIRDRACIR T uIR_结束 图2指令周期流程4.4、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

15、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->R001100000OUT(RO)A->OUT0111 0000HLTNOP1000 0000表三机器指令程序地址（二进制）内容（二进制）助记符说明0000 00000000 0000IN R0"INPUT DEVICE'R00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001

16、00000000 00110010 0000STA R0,11HR0 11H0000 01000001 00010000 01010011 0000OUT 11H11H LED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0"INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10H R00000 10010001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR( 12H0000 10110001 00100000 11000011 0000OUT 12H12H LED0000 1101000

17、1 00100000 11100100 0000JMP 00H00H PC0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和结果0001 0011求差结果4.5系统组成框图图3复杂模型机控制器4.6、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。LOA4 0时，PC程序计数器处于并行置数状态； LOA氐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

18、线BUS 低电平有效。5. R0- 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. SV- BUS微程序控制器的输出信号，控制 8位数据开关SWk SW（的开关量是否 送到总线，低电平有效。7. LDR0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RdDR18 . 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DR29. LDDR2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10 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。4.7微指令格式表四微指令格式23222120191

19、8-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-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_B001P<1>010LDB010R0_B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101保留101保留101保留110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留4.8微程序流程图00NOP01PC->AR03MEM->IR35ININADD片fHUOOUTOUT323431

20、36IN->R0IN->R1R0->AR0->AR1->OUT0111卩roR1->BR1->B1a 1卩八一05A+B=R007AV B=R001J IJ61R0->OUT4-01图4 微程序流程图4.9二进制代码表表五二进制代码表地址十六进制咼五位S3 S0A字段B字段C字段MA MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 05000000000010011000

21、0001010504 B2 010000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110

22、000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10数据连通图和接线图图5数据通路图五、设计成果5.1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HLT5.2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