武汉理工计算机组成原理课程设计

1、武汉理工大学课 程设计课程名称计算机组成原理设计题目模型机设计与实现班级软件zyl302学号姓名指导教师田小华日期2015年6月16日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 软件zyl302指导教师：田小华工作单位：计算机学院题目：基本模型机的设计及实现初始条件：1. 完成计算机组成原理课程教学与实验2. td-cma计算机组成原理教学实验系统要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点2. 熟悉td-cma教学实验系统的微指令格式3. 设计五条机器指令,并编写对应的微程序4. 在tdn-cma教学实验系统中调试

2、机器指令程序，确认运行结果5. 建立复杂指令系统计算机的整机概念模型时间安排：1. 第14周一周五：集中讲解课程设计原理与方法2. 第16周周一周五：进行课程设计实验,调试机器指令程序，3. 第17周周一周五（6 j1 18日6 j 25日）：撰写课程设计报告指导教师签名:2015年6月 2日基本模型机设计与实现1课程设计目的：(1) 建立计算机整机概念，掌握计算机功能模块的原理和关系；(2) 掌握一个简单cpu的组成原理；(3) 在掌握不见单元电路的基础上，进一步将其构造成一台基本模型计算机。2课程设计设备：(1) pc 机一台；(2) td-cma实验系统一套，排线若干。3课程设计内容3.

3、 1课程设计原理木次课程设计实现一个简单的cpu,由此构建一个简单模型计算机。cpu由alu、 微控制器(mc)、通用寄存器(r0),指令寄存器(ir)、程序计数器(pc)和地 址寄存器(ar)组成，如图5-1-1所示。图511基本cpu构成原理图该cpu在写入相应的微指令后，就具备执行机器指令的功能。在cpu基础上，加 一个主存和基本的输入输出部件，构成一个简单的模型计算机。3.1.1课程设计用到的机器指令课程设计采用五条机器指令：in, add, out, jmp, hlt,对应的源程序内容如下:地址内容助记符说明000000000010 0000；start：in ro学号fr。0000

4、00010000 0000；add ro,ror°+ ro r（）000000100011 0000；out rorolled000000111110 0000；jmp start跳转至00地址000001000000 0000000001010101 0000；hlt停机指令码中高4位位操作码，jmp为双字节指令，其余为单字节指令。微控制 器实验的指令是手动给出的，现在要求cpu自动从存储器读取机器指令并执 行。3.1.2微指令格式课程设计在微控制器实验的基础上，增加了 pc、ar和主存，在微指令中应增 加相应的控制位，其微指令格式见表5-1-le表5-m微指令格式a字段b字段c字

5、段141312选择000nop001lda010ldb011ldro100保留101load110ldar111ldir11109选择000nop001alu.b010roj011保盘100保田101保留110pc b111876选择000nop001p<1>010保目3011保留100保留101ldpc110保g111保g3232221201918-1514-1211-98-65-0m23m22wrrdioms3-s0a字段b字段c字段ma5-ma03. 1.3数据通路图根据以上设计要求，相关的数据通路图见图5-l-3o图5-1-3 数据通路图3.1.4微程序流程图系统涉及到的微

6、程序流程图，详见图5-l-4o当拟定“取指”微指令时，该微 指令的判别测试字段为pl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pl的测试结果出现多路分支。本机使用指令寄存器的高6 位（ir7-ir2）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址，微程序流 程图上的单元地址均为16进制编码的地址。1(6图3-2-3指令译码原理图oc>3.1.5微指令二进制微代码表当全部微程序设计完毕，应将每条微指令代码化，见表5-l-2o表5-1-2二进制表微代码表地址十六进制内 容高五位s3s2s1s0a字段b字段c字段昭mao00q00 00 010000000000000000

7、0000000101q00 6d 4300000000011011010100001103q10 70 7000010000011100000111000004q00 24 0500000000001001000000010105q04 b2 010000010010110010000000011dq10 51 4100010000010100010100000130q00 14 0400000000000101000000010032q18 30 0100011000001100000000000133q28 04 0100101000000001000000000135q00 00 350

8、000000000000000001101013cq00 6d 5d0000000001101101010111013.1.6机器指令程序设计一段机器指令程序:从in单元读入自己的学号，存放于ro,将r。和r。相加， 结果存于r。,再将r。的值送到out单元显示。机器指令程序如下，地址和内容 均为二进制：地址内容助记符说明0000000000100000；start：in ro学号一r°0000000100000000；addro,roro+ ro ro0000001000110000；outroro-led0000001111100000;jmpstart跳转至00地址000001

9、00000000000000010101010000；11lt停机3. 2实验步骤3.2.1按图5-1-5接线:8 5-1-5实验接线图3.2.2写入实验程序，并进行校验。3. 2. 2. 1手动写入或校验手动写入微程序 将开关kk1置为“停止”，kk3置“编程”，kk4置“控存”，kk5置为“置数” 使用con单元的sd5sdo给出微地址，in单元给出低8位应写入的数据，连 续两次按动开关st,将in单元的数据写到该单元的低8位； 开关kk5置为“加1”挡； in单元给出低8位应写入的数据，连续两次按动开关st,将in单元的数据写 到该单元的中8位；in单元给出低8位应写入的数据，连续两次按

10、动开关st, 将in单元的数据写到该单元的高8位； 重复、四步，将表5-1-2的微代码写入eprom2816芯片手动校验微程序 将kk1置为“停止”,kk3置为“校验”,kk4置为“控存”，kk5置为“置数” 使用con单元的sdossd。给出微地址，连续两次按动开关st, mc单元的数据 指示灯mo显示该单元的低8位； 将开关kk5置为“加1”挡; 连续两次按动开关st, mc单元的数据指示灯显示该单元的中8位；mc 单元的数据指示灯m23显示该单元的高8位； 重复、四步，完成对微代码的校验。手动写入机器指令程序 将kk1置为“停止”,kk3置为“校验”，kk4置为“主存”，kk5置为“置数

11、” 使用con单元的s%sd。给出地址，in单元给出该单元应写入的数据，连续 两次按动开关st,将in单元的数据写到该存储器单元； 开关kk5置为“加1”挡; in单元给出下一个地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动开关 st,将in单元的数据写到该存储器单元中；然后地址会乂加1,只需在in单元 输入后续地址（地址自动加1）应写入的数据，连续两次按动开关st,即可完成 对该单元的写入。 亦可、两步，将所有机器指令写入主存芯片中。手动校验机器指令程序 将kk1置为“停止”，kk3置为“校验”，kk4置为“主存”，kk5置为“置数” 使用con单元的sd°7sd。给出地址，连续两

12、次按动开关st, cpu内总线的数 据指示灯口d。显示该单元的数据； 开关kk5置为“加1”挡; 连续两次按动开关st,地址自动加1, cpu内总线的数据指示灯d?do显示该 单元的数据；此后每两次按动开关st,地址自动加1, cpu内总线的数据指示灯 口d。显示该单元的数据，继续进行该操作，直至完成校验。3. 2. 2. 2联机写入和校验联机软件提供微程序和机器指令程序下载功能，但是微程序和机器指令程序在下 载时有规定的格式，详见实验指导书。选择联机软件的“转储装载”功能， 在打开文件对话框中选择相关文件，软件自动将机器指令程序和微程序写入指定 单元。选择联机软件的“转储刷新指令区”功能，可

13、以读岀下位机所有的机器 指令和微指令，并在指令区显示。对照文件检查微程序和机器指令程序是否正确。3. 3运行程序3. 3. 1本机运行将开关kk1、kk3置为“运行”档，按动con单元的总清开关clr,将使pc、ar和微程序地址为00h,程序可以从头开始运行，暂存器a, b,指令寄存器ir 和out单元也会被清零。将kk2置为“单步”档，每按动一次st按钮，即可单步运行一条微指令，对 照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。每运行完一条微指令，观 察一次cpu内总线和地址总线，对照数据通路图，分析总线上的数据是否正确； 结果正确后请截取屏幕并保留屏幕文件，作为结果放到课程设计报告中。当

14、模型机执行完jmp指令后，检查out单元显示的数据是否为out单元值的2 倍；按下con单元的总清开关clr,将in单元的数据改变为学号的2倍，再次 执行机器指令程序，从out单元显示的数据判断程序执行是否正确，结果正确后 请再次截取屏幕并保留屏幕文件，作为结果放到课程设计报告中，方便比较结果。3. 3. 2联机运行将kk1、kk3置为“运行”档，进入软件界面，选择菜单命令“实验简单 模型机”，打开简单模型机数据通路图。按动con单元的总清开关clr,然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令， 即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完jmp指令后，检查out单元显 示的数据是否为out单元

15、值的2倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行 过程，并观察软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。4实验结果4. 1初始状态连接好线路后，进入软件，将微程序和机器程序以指定的格式写入到以txt为后缀的文本文件中并进行装载。实验初始状态如下图所示:b8r88w8 仇igbgggbgggsxgalellllnlllmllszlpglltia *! okifr kwjq o q4. 2运仃结果我在班里的序号是15h,通过加法器等一系列运行，最终在out端输出了我的序号的2倍，即2ah。联机运行图如下图所示：i.388;gb8g8 8x8«92ltl22xttmpl

16、87;lftal»lctoipzj5课程设计总结5. 1给出每条机器指令的微程序：in, add, out, jmpin 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100010q： 00000000000100000000000101q： 000000011110110110000010add 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100011q： 00000001111011011000001103q： 00000000

17、111000000000010004q： 00000000101100000000010105q： 00000001101000100000011006q： 10010101100110100000000101q： 000000011110110110000010out 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100013q： 00000001111011011000111016q： 00000000111000000000111117q： 00000000101000000001010125q： 0000011

18、1000010100000000101q： 000000011110110110000010jmp 指令的微程序 01q： 00000001111011011000001002q： 00000000110000000100100015q： 000000011110110110010110 26q： 000000001101000110000001 01q： 0000000111101101100000105. 2课程设计心得总结本次计算机组成原理课程设计是构造一台简单的基本模型计算 机以及为其定义五条机器指令，编写相应的微程序上机调试。通过本 次课程设计，我掌握了一个简单cpu的组成原理。实验过程中也遇到 了一些困难，但是在老师和同学的帮助下我顺利解决了这些问题，觉 得计算机组成原理是一门基础而且重要的课，作为软件工程的学生