计算机组成原理模型机设计与实现

/XX理工大学华夏学院《计算机组成原理》课程设计说明书学号：XX华夏理工学院课程设计课程名称计算机组成原理题目模型机设计与实现专业班级姓名成绩指导教师田小华2016年12月27日XX华夏理工学院信息工程系课程设计任务书课程名称：计算机组成原理指导教师：田小华班级名称：开课教研室：软件与信息安全一、课程设计目的与任务理解计算机系统各个功能部件的功能、结构和工作原理,正确理解各功能部件之间的相互关系及其在计算机系统中所起的作用；掌握计算机系统各个功能部件的设计和分析技术,包括数据与指令的编码、存储器、运算器、输入输出接口等。在此基础上,使学生通过理论与实践的结合,利用基本模型计算机的构建与调试实验,完整地建立计算机硬件的整机模型,掌握中央处理器的基本结构和控制流程,掌握机器指令执行的基本过程,熟悉微程序控制器的基本结构和微程序设计技术的主要技巧,理解一条机器指令与一段微程序的关系,明确高级语言指令与微指令的对应关系,充分理解控制信息流利用数据通路完成对数据流的加工处理的过程。通过课程设计,使学生将所学专业知识综合运用,在实践活动中积累经验,增长才干,训练学生独立工作能力,激发学生的学习热情,培养学生的自主创新精神,养成务实严谨的工作作风。二、课程设计的内容与基本要求1.按给定的数据格式、机器指令格式和微指令格式,利用基本的数字逻辑器件,设计—台微程序控制的模型计算机。2.设计五条机器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP,并用微指令编写微程序,实现每条机器指令的功能。3.在TD-CMA教学实验平台上实现基本模型机方案：⑴建立数据通路,定义开关SWA及SWB的功能；⑵确定微程序控制流程,掌握控制台操作；⑶输入编写的五条机器指令的微程序序列；⑷输入实验机器指令程序序列；⑸设计基本模型的物理连线；⑹完成微程序的调试,实现实验机器指令程序的功能。完成模型机调试任务后,整理课程设计资料,撰写课程设计报告。课程设计报告内容包括：模型机数据通路图；②微程序控制器逻辑模块图；③微程序控制流程图；④元件排列图；⑤设计说明书；⑥调试小结。三、课程设计步骤及时间进度和场地安排《计算机组成原理》课程设计将安排在第17周,地点在信息系实验楼523教室。具体安排如下：1．第17周周1〔1节<12月26日>：集中讲解课程设计原理与方法,3-203教室2．第17周周1〔2--4节：完成模型机的实验线路连接3．第17周周2：调试模型机,记录实验结果,撰写课程设计报告4．第17周周5：检查课程设计报告,打印提交课程设计报告软件工程1151班时间安排：周次星期一星期二星期五第17周第1-4节第1-4节第1-4节地点实验楼523实验楼523实验楼523四、课程设计考核及评分标准课程设计考核将综合考虑学生考勤和参与度,课程设计方案正确性和实验结果的正确性,独立完成实验环节的情况,以及课程设计报告书的质量。具体评分标准如下：序号评分项目分数1学习态度认真、遵守纪律102设计分析合理性103设计方案正确性、可行性204设计结果正确性305设计报告的规范性106实践环节的独立性与主动性107设计验收10总得分/等级注：最终成绩以五级分制记。优〔90-100分、良〔80-89分、中〔70-79分、及格〔60-69分、60分以下为不及格目录第一章课程设计11.1课程设计题目11.2课程设计目的11.3实验设备1第二章概要设计12.1课程设计原理12.2数据通路框图22.3微指令格式22.4微程序流程图32.5微指令二进制代码表42.6实验步骤5第三章实验过程屏幕截图73.1调试部分截图73.2调试整体图83.3运行结果9第四章设计总结94.1给出每条机器指令的微程序<十六进制格式>94.2设计体会10附表答辩和评语表.12第一章需求分析1.1课程设计题目基本模型机设计与实现1.2课程设计目的在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上,深入掌握信息流和控制信息流的流动过程,进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念,培养开发和调试计算机的技能。1.3实验设备TDN-CM组成原理实验系统,排线若干,微机第二章概要设计2.1课程设计原理采用五条机器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP地址〔二进制内容〔二进制助记符说明0000000000000000INR0"INPUTDEVICE<班号>"→R00000000100010000ADD[0AH],R0R0+[0AH]→R000000010000010100000001100100000STAR0,[0BH]R0→[0BH]00000100000010110000010100110000OUT[0BH][0BH]→LED00000110000010110000011101000000JMP00H00H→PC0000100000000000000010010000101000011111学号为31号同学00001011求和结果<班号加学号>2.2数据通路框图简单的模型计算机是由运算器、控制器、存储器、总线、输入输出和时序产生器组成。在模型机中,我们将要实现RAM的读写指令,寄存器的读写指令,跳转指令,ALU的加、减、与、或指令。把通用寄存器作为累加器A,进行左、右移等指令,整体构成一个单累加器多寄存器的系统。如图1所示：图1数据通路框2.3微指令格式当全部微程序设计完毕后,应将每条微指令代码化,如图2所示：图2微指令格式2.4微程序流程图微程序流程图如图3所示：图3微程序流程2.5微指令二进制代码表表1微指令二进制代码表八进制二进制格式微地址S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCμA5～μ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.6实验步骤实验接线图:如下图2-6。〔注意：接线过程中不得有任何错误!图4实验接线图2.6.2操作步骤⑴微控器编程开关拨至RUN,"STEP"→STEP,"STOP"→RUN⑵实验箱利用COM1口与微机连接,实验箱加电,启动微机：①进入安装实验系统的目录,例如D：\CMP；②对实验箱复位；③桌面上选择:CMP图标,运行CMP.EXE,进入实验运行环境；④选择转载菜单的装载功能:C:\TANGDU\CMP\SAMPLE\EX1.TXT⑤选择数据通路图标：开关置班号,内存0AH单元置学号⑥CLR:1→0→1⑦运行菜单的连续功能功能,若运行正确,将在"OUTPUT"模块看到十六进制的结果：班号+学号的和EX1文本文件内容如下：机器指令程序：$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01机器指令对应的微程序：$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11第三章实验过程屏幕截图3.1调试部分截图图5数据通路3.2调试整体图图6实验操作界面3.3运行结果图7运行结果第四章设计总结4.1每条机器指令的微程序<十六进制格式>IN:01Q:01ED82H02Q:00C048H10Q:01ED92HADD:01Q:01ED82H02Q:00C048H11Q:01ED94H03Q:00E004H04Q:00B005H05Q:01A206H06Q:959A01HSTA:01Q:01ED82H02Q:00C048H11Q:01ED87H03Q:00E00DH04Q:028201HOUT:01Q:01ED82H02Q:00C048H11Q:01ED8EH03Q:00E00FH04Q:00A015H05Q:070A01HJMP:01Q:01ED82H02Q:00C048H11Q:01ED96H03Q:00D181H4.2设计体会本次课程设计要求我们设计一台微程序控制的模型机,设计基本模型机的指令系统〔包括逻辑与,逻辑或,算术加,减运算,输入,输出,转移,传送指令,设计的目的是让我们增加自己的动手能力,真正的达到理论与实际的结合。本次实验大体上分为两步。首先,是连接电路。其次,装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行,通过观察运行情况和数据在总线上的流动,了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义,并装载运行、检验运行结果。这学期的学习后,让我对计算机的组成有了一个初步的认识,它的内部有很多的奥妙,理论性很强的。在这次课程设计中,我在实验设计中结合理论学了不少东西。因为课程设计是要求将以前在课堂上学的理论知识运用到实际的设计当中去,所以在设计过程中,我碰到各种各样的问题。为了解决这些问题,我仔细认真的去翻阅自己以前学过但是以为已经了解熟悉的东西。这在无形中帮助我加深对所学知识的了解及运用能力,并且让我明白什么地方是我们真正需要去关注的。而且这样我对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解。课程设计需要我不但通过翻阅复习以前学过的知识而且需要查阅更多的相关信息。通过这次课程设计,我更进一步了解了计算机的组成,尤其对运算器、存储器和微程序控制器,有了非常透彻的认识。并且对线路的连接与模型机的各个硬件的结构,以及微程序微指令的一些编制与设计有了一定的了解。从一种微观的角度更加了解计算机模型机,这样我对于计算机的了解更加深入。对于计算机的工作原理也有部分更深入的认识。还体会到了实践动手和合作的重要性,以及做事要有计划和顺序.这次通过实验的方法来学习计算