计算机组成原理组成课程设计报告

1、-PAGE . z. . . . . 资料. . .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：李雪飞曹项飞卫妙珠指导教师：吴戴明设计时间：目录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc360778995一、课题分析 PAGEREF _Toc360778995 h 4HYPERLINK l _Toc3607789961.1、设计目的 PAGEREF _Toc360778996 h 4HYPERLINK l _Toc3607789971.2、设计任务 PAGEREF _Toc360778997

2、h 4HYPERLINK l _Toc3607789981.3、课程设计题目分析 PAGEREF _Toc360778998 h 4HYPERLINK l _Toc360778999课题设计准备 PAGEREF _Toc360778999 h 4HYPERLINK l _Toc360779000读/写操作的认识 PAGEREF _Toc360779000 h 5HYPERLINK l _Toc360779001二、总体设计 PAGEREF _Toc360779001 h 5HYPERLINK l _Toc3607790022.1、设计原理 PAGEREF _Toc360779002 h 6HY

3、PERLINK l _Toc3607790032.2功能设计 PAGEREF _Toc360779003 h 6HYPERLINK l _Toc360779004三、方案比拟 PAGEREF _Toc360779004 h 7HYPERLINK l _Toc360779005四、分步设计 PAGEREF _Toc360779005 h 8HYPERLINK l _Toc3607790064.1小组成员设计任务分配 PAGEREF _Toc360779006 h 8HYPERLINK l _Toc3607790074.2微程序控制器的设计 PAGEREF _Toc360779007 h 8HYP

4、ERLINK l _Toc3607790084.2.1 设计要求 PAGEREF _Toc360779008 h 8HYPERLINK l _Toc3607790094.2.2 设计内容 PAGEREF _Toc360779009 h 8HYPERLINK l _Toc3607790104.3、指令周期流程图 PAGEREF _Toc360779010 h 9HYPERLINK l _Toc3607790114.4、机器指令设计 PAGEREF _Toc360779011 h 9HYPERLINK l _Toc3607790124.5系统组成框图 PAGEREF _Toc360779012 h

5、 10HYPERLINK l _Toc3607790134.6、各部件功能 PAGEREF _Toc360779013 h 11HYPERLINK l _Toc3607790144.7微指令格式 PAGEREF _Toc360779014 h 12HYPERLINK l _Toc3607790154.8微程序流程图 PAGEREF _Toc360779015 h 13HYPERLINK l _Toc3607790164.10数据连通图和接线图 PAGEREF _Toc360779016 h 14HYPERLINK l _Toc360779017五、设计成果 PAGEREF _Toc360779

6、017 h 15HYPERLINK l _Toc3607790185.1运行结果 PAGEREF _Toc360779018 h 15HYPERLINK l _Toc3607790205.2课程设计的收获 PAGEREF _Toc360779020 h 16HYPERLINK l _Toc360779021六、存在问题及改良建议 PAGEREF _Toc360779021 h 16HYPERLINK l _Toc360779023七、参考文献及相关网址 PAGEREF _Toc360779023 h 17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，完成由根本单元电路构成

7、一台根本模型机，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。在设计根本模型机的实验根底上，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完毕的一个指令周期，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、设计目的计算机组成与构造课程设计是计算机组成与构造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构造课程的根本内容，掌握计算机设计与实现的根本方法，培养学生实验动手能力

8、和创新意识，为以后进展计算机应用系统的设计与开发奠定根底。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构造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。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、课题设计准备、确定设计目标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、

9、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。、总体构造与数据通路总体构造设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路构造。在此根底上，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构造，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，计算机的构造也就不一样。、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，根据总线构造，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

10、。、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，先按功能模块进展组装和分调，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。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，*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STAR

11、T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SWB、SWA设置为01时，按START微动开关可对RAM进展连续手动写入。启动程序RUN：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA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的状态来设置，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2.1、设计原理CPU由运算器ALU、微程序控制器MC、通用存放器RO、指令存放器IR、程序计数器PC和地址存放器AR组成，如图1

12、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，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的根底上增加一个主存和根本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。图1 根本CPU构成原理图2.2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 机器指令代码IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R0 0000 0000MUL(R0，R1)A

13、vB-R0 0101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1000 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。方案比拟方案一：(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展传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的构

14、造也就不样，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历，并参考现有机器的三种典型形式单总线、双总线或三总线构造，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展分析，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，进展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)

15、检查所设计的数据通路，尽可能降低本钱，简化线路。方案二:、用根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0000IN R0, 80H80H 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存放器。0110ADD R0, (0A)(R0)+(0A) R0。R0存放器的内容与存储器0A地址单元的内容相加，结果存入R0存放器。020A0320STA(0B), R0R0 (0B)。R0存放器的内容与存入存储器0B地址单元。040B 0530OUT BUS, (0B)(0B) BUS。通过总线输

16、出存储器0B地址单元的内容。060B 0740JMP 0000 PC。无条件转移到00地址。0800 0A01 存储器0A地址单元的数据，可自定。0B 求和结果保存在存储器0B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00001081010D15018202010182ED010E160FE000020248C0000F1715A000030304E000102092ED01040405B000112194ED01050506A201122217A0000606019A95132301800107070DE00014241820000810

17、0110001525010A07091183ED01162681D1000A1287ED011727100A070B138EED011830118A060C1496ED01 、修改和编写实验仪RAM和ROM数据。 方案比拟：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根本模型机包括简单模型机和复杂模型机两局部的根底，所以做起来比拟容易。因此，我们选择了方案二。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

18、档收集总体调试运行4.2微程序控制器的设计 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 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；4.3、指令周期流程图开场MMDIRMMAC取指指令MOV指令运算指令MMIRMMIRALU运算PC+1IRuIRDR2ACMMIRMMIRIRuIRIRuIR完毕图 2 指令周期流

19、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 0000 HLTNOP1000 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 R0INPUT DEVICER00000 00010001 0000ADD 10H,R0R0+10HR00000 00100001 000

20、00000 00110010 0000STA R0,11HR011H0000 01000001 00010000 0101 0011 0000OUT 11H11HLED0000 01100001 00010000 01110000 0000IN R0INPUT DEVICER00000 10000101 0000ADD 10H,R0R0-10HR00000 10010001 00000000 10100010 0000STA R0,12HR012H0000 1011 0001 00100000 11000011 0000OUT 12H12HLED0000 11010001 00100000 1

21、1100100 0000JMP 00H00HPC0000 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1LDPC 微程序控制器输出的PC加1信号。2LOAD 微程序控制器的输出信号。LOAD0时，PC程序计数器处于并行置数状态；LOAD1时，PC处于计数状态。3ALUBUS 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。4PCBUS 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。5R0BUS 微程序控制

22、器的输出信号，控制存放器R0的内容是否送到总线BUS，低电平有效。6SWBUS 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。7LDR0 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入存放器R0。8LDDR1 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DR1。9LDDR2 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DR2。10LDIR 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存放器IR中。4.7微指令格式表四 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-

23、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保存011LDR0011保存011保存100保存100保存100保存101保存101保存101保存110保存110保存110保存111LDIR111保存111保存4.8微程序流程图33IN-R001R0-OUT3101OUTOUTHUOADDININ0101320705060430343635030100NOPPC-ARPC+1MEM-IRR0-AIN-R1R0-AR1-O

24、UTPR1-BR1-BA+B=R0AB=R00101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高五位S3S0A字段B字段C字段MA5MA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 050000000000100110000001010504 B2 01 0000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000

25、000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D0000000001101101010111014.10数据连通图和接线图图5 数据通路图设计成果5.1运行结果按照以下功能分