计算机硬件课程设计-简单模型机设计

1、计算机硬件综合课程设计报告 简单模型机设计设计要求硬件：TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台，PC机一台，排线若干，串口线一根。软件：CMP软件设计目的通过对一个简单计算机的设计，对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、 微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。通过这次课程设计，建立整机的概念，对程序进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。通过本次课程设计熟悉和训练设计思路与实现方法。通过本次课程设计锻炼团队合作的能力和团队问题的解决。设计电路及连线 设计电路及连线实验图如下图1-1所示。图 1-1 简单模型机连线图设计说明本次课程设计

2、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个微程序。本次课程设计采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符 机器指令码 说 明 微程序入口地址IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中 10ADD addrSTA addrOUT addrJM P addr 的开关状态R0 0001 0000 R0

3、+addrR0 11 0010 0000 R0addr 12 0011 0000 addrBUS 13 0100 0000 addrPC 14其中，IN为单字长（8位），其余为双字长， 为addr对应的二进制地址码。设计数据通路框图如图1-2所示。微代码定义如表1-1所示。图 1-2 数据通路图表1-124232221201918171615 14 1312 11 10 9 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0987选择000001P（1）010011100P（4） 101110LDPC121110选择000001RS-B0100111

4、00101ALU-B110PC-B A字段 B字段C字段151413选择000001LDDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR设计步骤设计微程序流程图，如图1-3所示。运行微程序 01PCARPC+1RAMBUSBUSIR 02 10P(1)IN ADD STA OUT JMPPCARPC+1 10 11 12 13 14PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1SWR0RAMBUSBUSAR 03 07 16 RAMBUSBUSARRAMBUSBUSPCRAMBUSBUSAR 2601 04 15 R0BUSBUSRAMRAMBUSBUSDR2

5、 17RAMBUSBUSDR1 01 05R0DR1 25 DR1LED 06 01(DR1)+(DR2)R0 06 01 01 控制台 00 八进制微地址 20P（4）KWE(01)RP(11) （SWB ,SWA)KRD(00)PCARPC+1PCARPC+1 21 20 23 24 22RAMBUSBUSDR1CSWDBUSBUSDR1 01 DR1LED DR1RAM 30 27 图 1-3 微程序流程图微指令代码化，如下表1-2所示。表1-2微地址S3 S2 S1 S0 MCnWE A9 A8ABCuA5uA00 00 0000 00 1 10000001000100000 1000

6、0000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001000 40000000010110000000001010 50000000110100010000001100 61001010110011010000000010 70000000011100000000011011 00000000000010000000000011 10000000111101101100000111 20000000111101101100001111 30000000111101101100011101 4000000

7、0111101101100101101 50000001010000010000000011 60000000011100000000011111 70000000010100000000101012 00000000111101101100100102 10000000111101101100101002 20000000010100000000101112 30000000110000000000000012 40000000000100000000110002 50000011100001010000000012 60000000011010001100000012 7000001110

8、0001010000100003 0000001101000101000010001设计验证程序的内存映像（装入起始地址00H）如下表1-3所示。表1-3地址（二进制）内容（二进制）助记符说 明0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器0000 00010001 0000ADD 0AHR0+0AHR00000 00100000 10100000 00110010 0000STA 0BHR00BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT 0BH0BHLED0000 01100000 10110000 01110100 0000JMP 08

9、H00HPC0000 10000000 00000000 10010000 10100000 0001输入自定的数据0000 1011求和结果的存储单元建立联机操作文件。为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立。源程序如下：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M

10、0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11调试、执行程序。首先打开CMP软件，测试端口是否连接成功，然后装入联机操作文件，接着测试程序，测试值R0=FEH，置数据开关状态11111110，根据提示拨动总清开关CLR（01）适时清零。在调试过程中，出现了一些问题，例如，出现提示窗口，提示源程序第几行错误，经检查原来是数字0写成

11、了字母O；观察数据流通图，有支路不通，就检查该支路的连线，排查错误。设计结果和体会设计结果当R0=FEH时，求和结果为FFH，即0BH单元中存储值为FFH，LED显示FF。设计体会此次课程设计，让我对计算机的基本组成、简单运算器的数据传送通路组成、存储器RAM工作特性及数据的读写方法、时序信号发生电路的组成原理、微程序控制器的设计思路和组成原理、微程序的编制、写入过程有了进一步的了解，也让我觉得自己的动手能力有 很大的提高；自信心也增强了，在课程设计过程中通过仔细查阅资料解决了遇到的问题，做到了理论与实践相结合，巩固和深化了自己的知识结构，收获颇多。建议课程设计可以体现出团队合作程度，紧密合作

12、加上明确分工，能够大大地提高设计速度，在动手设计之前，最好将设计所需要的数据，程序准备好，为了判断设计结果是否正确，有必要在准备阶段计算理论值。仔细分析指令的每一位，以及微程序流程图，理清思路，在设计时做到胸有成竹。复杂模型机设计一、设计要求硬件：TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台，PC机一台，排线若干，串口线一根。软件：CMP软件二、设计目的通过对一个简单计算机的设计，对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、 微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。通过这次课程设计，建立整机的概念，对程序进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。通过

13、本次课程设计熟悉和训练设计思路与实现方法。通过本次课程设计锻炼团队合作的能力和团队问题的解决。设计电路及连线 设计电路及连线实验图如下图2-1所示。图 2-1 复杂模型机连线图设计说明在简单模型机的基础上搭接移位控制电路，实现移位控制运算。新增4条移位运算指令：RL（左环移）、RLC（带进位左环移）、RR（右环移）、RRC（带进位右环移），其指令格式如下：助记符 操作码RR 0101 0000RRC 0110 0000 RL0111 0000RLC1000 0000指令格式如表2-1所示。表2-124232221201918171615 14 1312 11 10 9 8 7654321S3S

14、2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0987选择000001P（1）010011100P（4） 101110LDPC121110选择000001RS-B010011100299-B101ALU-B110PC-B A字段 B字段C字段151413选择000001LDDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR 数据通路图如图2-2所示。 T4299-B74299图 2-2 数据通路图设计步骤设计微程序流程图，如图2-3所示。运行微程序 01PCARPC+1RAMBUSBUSIR 02 20P(1)IN ADD STA OUT J

15、MP RR RRC RL RLCR0299R0299R0299PCARPC+1PCARPC+1 20 21 22 23 24 25 26 27 30R0299SWR0PCARPC+1PCARPC+1带进位右环移 35 37 41RAMBUSBUSPC右环移左环移RAMBUSBUSAR 03 07 34 43 带进位左环移RAMBUSBUSARRAMBUSBUSAR 31 299R0299R001 36 40 42299R0 04 17 44299R0 R0BUSBUSRAMRAMBUSBUSDR2 32 01 RAMBUSBUSDR1 01 01 05 01R0DR1 33 01 DR1LED

16、 06 01 (DR1)+(DR2)R0 01 01 控制台 00 八进制微地址 20P（4）KWE(01)RP(11) （SWB ,SWA)KRD(00)PCARPC+1PCARPC+1 11 10 13 14 12RAMBUSBUSDR1CSWDBUSBUSDR1 01 DR1LED DR1RAM 15 16 图 2-3 微程序流程图微指令代码化（十六进制表示），写入操作文件后面。设计验证程序的内存映像（装入起始地址00H）如下表2-2所示。表 2-2地址（二进制）内容（二进制）助记符说 明0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器0000 00010001 0000A

17、DD 0DHR0+0DHR00000 00100000 11010000 00111000 0000RLC将R0寄存器中的数据带进位循环左移一位0000 01000000 0000IN“INPUT DEVICE”R00000 01010110 0000RRC将R0寄存器中的数据带进位循环右移一位0000 01100111 0000 RL将R0寄存器中的数据循环左移一位0000 01110010 0000STA 0EHR00EH0000 10000000 11100000 10010011 0000OUT 0EH0EHLED0000 10100000 11100000 10110100 0000

18、JMP 00H00HPC0000 11000000 00000000 11010000 0001输入自定的数据0000 1110求和结果的存储单元建立联机操作文件。为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立。源程序如下：$P0000$P0110$P020D$P0380$P0400$P0560$P0670$P0720$P080E$P0930$P0A0E$P0B40$POC00$P0D01$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$

19、M0700E00F$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A00E$M0B018001$M0C00200D$M0D068A09$M0E070A08$M0F028201$M10001001$M1101ED83$M1201ED87$M1301ED99$M1401ED9C$M1531821D$M1631821F$M17318221$M18313223$M1900E01A$M1A00A01B$M1B070A01$M1C00D181$M1D21881E$M1E019801$M1F298820$M20019801$M21118822$M22019801$M23198824$M24019801调试、执行程序。首先打开CMP软件，测试端口是否连接成