计算机组成原理课程设计报告

1、计算机组成与系统结构课程设计报告报告题目： 复杂模型机系统设计与运行 作者所在系部： 计算机科学与工程 作者所在专业： 计算机科学与技术 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011.12.30 北华航天工业学院教务处制课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计及与运行完成时间2011.12.30指导教师职称教 授学生姓名 班 级总体设计要求和技术要点掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平

2、台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现具有计算四则运算及逻辑运算的功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。工作内容及时间进度安排总计2周：1.12月19日：资料查阅、选题、系统总体设计2.12月20日-12月23日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3.12月26

3、日30日：系统调试与运行，成果验收4.12月30日：上交设计报告课程设计成果1.课程设计硬件系统及配套软件2.课程设计报告书摘 要本实验利用EL-JY-型计算机组成原理实验系统组建电路，综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型计算机设计和实现，并构造一个指令系统，编写机器指令实现不同的具体功能，如实现数据的输入、输出、加法、减法、移位、乘法以及赋值等运算的功能。关键词：微代码 机器指令 数据输入/输出 算术逻辑运算 目 录第一章 绪论11.1课程设计地点11.2课程设计目的11.3课程设计的意义11.4课程设计的主要内容和要求11.5课程设计的环

4、境1第二章 基础知识22.1 概述22.2 主要技术要点32.2.1 ALU部件32.2.2. 存储体32.2.3 控制器3第三章 指令系统53.1 数据格式53.2 指令格式53.3 指令系统6第四章 微代码设计与实验84.1微代码设计84.2实验微代码10第五章 设计内容125.1设计内容125.2程序代码12第六章 系统实现136.1 硬件连线图136.2 系统实现步骤136.3 测试用例16总 结19参考文献20第一章 绪论1.1课程设计地点图书馆5楼西侧软件工程实验室。1.2课程设计目的本课程设计综合运用运算器、控制器、存储器、输入输出系统、总线等部件和辅助电路，完成一个较完整的模型

5、计算机设计和实现（包括硬件和软件）。通过课程设计对计算机组成和系统结构的基础知识进行全面的掌握，培养独立分析、研究、开发和综合设计能力。1.3课程设计的意义通过对复杂模型机组成的研究以及对微程序、微代码、机器指令的深入理解，进一步增强对计算机组成的学习，巩固以前所学知识，并对以后的学习打下坚实的基础。1.4课程设计的主要内容和要求掌握计算机五大功能部件的组成及功能，熟悉完整的单台计算机基本组成原理，掌握计算机中数据表示方法、运算方法、运算器的组成、控制器的实现、存储器子系统的结构与功能、输入/输出系统的工作原理与功能。（1）利用实验设备平台构造完整的模型机；（2）利用运算器74LS181执行算

6、术操作和逻辑操作；（3）运用随机存储器RAM以及地址和数据在计算机总线的传送关系，实现运算器和存储器协同工作，读写数据，检查结果是否正确；（4）应用微程序控制器，往EEPROM里任意写24位微代码，读出微代码并验证其正确性；（5）构造指令系统，定义至少10条机器指令，实现比较完整的模型机功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的CPU技术。要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确； （7）在EL-JY-型计算机组成原理实验系统上，编写机器指令，实现数据的输入,输

7、出，移位以及加法等运算功能。1.5课程设计的环境EL-JY-型计算机组成原理实验系统。第二章 基础知识2.1 概述计算机系统是包括计算机硬件和软件的一个整体，两者不可分割，但处于不同的层次上。计算机系统的层次结构模型中，第0层是硬件内核(逻辑线路)，第1、2层是指令系统和实现该指令系统所采用的技术（组合逻辑技术、微程序控制技术、PLA控制技术），第3、4层为系统软件，第5层为应用软件，第6层是系统分析。计算机组成原理涉及到的是第0、1、2这3层。计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。图2.1 微处理器结构（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式

8、给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。运算器大体包括算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。（2）存储器是存放数据和程序的部件。计算机中的存储器按功能分为主存、辅存和高速缓冲存储器CACHE，由这3类存储器构成存储系统的层次结构。（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、指令译码器和时序控制器等部件。（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。2.2 主要技术要点 2.2.1 ALU部件ALU部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结构是先行进位加法器。74181是国际流行的4位ALU中规模

9、集成电路，能对两个4位二进制代码进行16种算术运算和16种逻辑运算，这两类运算由M信号选择。16种运算又由S3S2S1S0四位控制选择。用表示ALU的最低位进位输入，用+4表示ALU的进位输出信号。2.2.2. 存储体静态MOS存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储单元的集合。地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。控制器根据CPU给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。2.2.3 控制器CPU的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下：（

10、1）指令计数器：存放要执行的下一条指令的地址。（2）指令寄存器：存放现行指令。（3）指令译码器：对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件。（4）脉冲源及启停控制电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动和停机。（5）时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。（6）操作控制信号形成部件：综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。（7）中断机构：对异常情况和外来请求处理。（8）总线

11、控制逻辑：对总线信息传输控制。操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或可编程逻辑阵列PLA方式。微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应一段微程序。计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。第三章 指令系统3.1 数据格

12、式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，格式如下：表3-1 补码表示表1514 13 . 0 符 号 尾 数其中，第16位为符号位，数值表示范围是：-32768 32767。3.2 指令格式（1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：表3-2 寻址方式表示表7 6 5 43 21 0OP-CODErsrd其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：表3-3 操作码表OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROL表3

13、-4 寄存器表rs 或 rd选定寄存器 00 Ax 01 Bx 10 Cx（2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，存数和取数。它们都使用助记符MOV，但操作码不同。转移指令只有一种，及无条件转移（JMP）。指令格式如下： 表3-5 存储器的访问表7 65 43 21 0 00 M OP-CODE rd D其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不同，如下表所示：表3-6 操作码表OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令表3-7 寻址模式表 寻址模式M有效地址ED定义说明00E=（PC）+1立即数立即寻址10E=D直接地址直接寻址11E

14、=100H+D直接地址 扩展直接寻址（3）I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 表3-8 I/O操作码表7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。3.3 指令系统本实验共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条。下表列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。表3-9 指令格式表汇编符号指令的格式功能MOV rd , rsADD

15、 rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rd rs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd 对rd 求反rd循环右移rd循环左移MOV D , rdMOV rd , D 00 10 00 rd D 00 10 01 rd D rd DD rdMOV rd , DJMP D 00 00 01 rd D 00 00 10

16、00 DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rd 0100 10 rd 0100 01 rdKIN rdrd DISP第四章 微代码设计与实验4.1微代码设计设计三个控制操作微程序如下：（1）存储器读操作（MRD）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。（2）存储器写操作（MWE）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。（3）启动程序（RUN）拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2

17、为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行。本系统设计的微程序字长共24位，其控制位顺序如表4-1所示。 表4-1 24位微代码表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1B F1 F2 F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三个字段的编码方案如表4-2所示。表4-2 编码方案表 F1字段 F2字段 F3字段 15 14 13选择 12 11 10选择 9 8 7选择 0 0 0LDRi 0 0 0RAG 0 0 0P1 0 0 1LOAD 0 0 1ALU-G 0

18、 0 1AR 0 1 0LDR2 0 1 0RCG 0 1 0P3 0 1 1自定义 0 1 1自定义 0 1 1自定义 1 0 0LDR1 1 0 0RBG 1 0 0P2 1 0 1LAR 1 0 1PC-G 1 0 1LPC 1 1 0LDIR 1 1 0299-G 1 1 0P4 1 1 1无操作 1 1 1无操作 1 1 1无操作微程序流程图如图2 所示。4.2实验微代码实验微代码如表4-3所示。表4-3 使用微代码表 微地址（8进制） 微地址（2进制）微代码（16进制）00007F8801005B4202016FFD06015FE507015FE510005B4A11005B4C1

19、2014FFB13007FC11401CFFC20005B6522005B4723005B4624007F152502F5C127018FC1300001C1310041EA320041EC330041F2340041F3350041F6363071F7373001F9400379C141010FC142011FC445007F20520029EB539403C1540029ED556003C1620003C1630025F565B803C1660C03C167207DF870000DC171107DFA72000DC17306F3C874FF73C975016E10第五章 设计内容5.1设计

20、内容本系统完成计算及验证实验结果。计算公式：2(2Ax+1)+Bx+2Ax观察结果值与实验输出值是否相等。 5.2程序代码本实验的机器指令程序代码如表5-1所示。表5-1 指令输入表地址（十六进制）机器指令（十六进制） 助记符说明 00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0B H0C H0D H0E H0F H10 H11 H12 H13 H0048 H00F0 H0082 H0046 H00B0 H0082 H0046 H00F0 H0082 H0046 H0049 H0091 H0048 H00F0 H0094 H0082 H0046 H00

21、A4 H0008 H0000 H IN Ax , KIN ROL Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx INC AxMOV Cx , Ax OUT DISP , Cx ROL Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , CxIN Bx , KIN ADD Bx,Ax IN Ax , KIN ROL AxADD Ax, BxMOV Cx , AxOUT DISP , CxSUB Ax,BxJMP XXXXH输入 AxAx循环左移一位Ax CxCx DISPAx+1 AxAx CxCx DISPAx循环左移一位Ax CxCx DISP输入 BxAx+Bx-Bx输入 Ax

22、Ax循环左移一位Ax+Bx-AxAx CxCx DISPAx-Bx-AxXXXXH低八位-PC0000 H PC第六章 系统实现6.1 硬件连线图连接硬件系统，电路如图6-1所示。AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2运算器接口ALU_GARS3-S0 M CNG_299输出显示W/RD15-D0D_G控制总线W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O控制 MD15-MD0数据总线 AD7-AD0 地址总线 WE MD15-MD0 MA7-MAO主存储器电路 CE图

23、6-1 硬件连线图6.2 系统实现步骤本系统在联机方式下进行。步骤如下：（2）启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。微指令操作： 写：在编辑框中输入微指令程序（格式：两位八进制微地址 + 空格 + 六位十六进制微代码），按“保存”按钮，将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中；按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上，然后按写入按钮，微程序写入控制存储器电路。读：将实验箱上

24、的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“读出”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中。微指令操作界面如图6-2所示。图6-2 微指令操作打开实验课题参数对话窗口：机器指令操作。 写：在编辑框中输入实验用的机器指令程序（格式：两位十六进制地址+空格+2位或4位十六进制代码），按“保存”按钮，将机器指令程序代码保存在一给定文件(*.ASM)中；按“打开”按钮，打开已有的机器指令程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，拨动“C

25、LR”开关对地址和微地址清零，将表13中的数据以图4形式写入，然后按“写入”按钮，机器指令写入存储器电路。 读：将实验箱上的K4K3K2K1拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“读出”按钮,则相应的指令代码显示在“读出指令代码”栏中。 （3）运行程序单步：在运行状态前提下，选择操作-单步，然后拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后每按一次单步按钮，执行一条微指令。可从实验箱的指示灯和显示LED观察单步运行的结果。 连续：在运行状态前提下，选择操作-连续，先拨动“CLR”开关

26、对地址和微地址清零，然后按连续按钮，可连续执行程序。可从实验箱的指示灯和显示LED观察连续运行的结果。 停止：在连续运行程序过程中，可按停止”按钮暂停程序的执行。此时地址和微地址并不复位，仍可以从暂停处单步或连续执行。机器指令操作界面如图6-3所示：图6-3 机器指令操作程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如图6-4和图6-5所示对话框，要求输入数据：图6-4 弹出窗口提示操作图6-5 输入数据Ax图6-6 输入数据Bx 图6-7 输入数据Ax6.3 测试用例以下为实验中使用的输入数据：实验数据AxBxAX第一组数据0002H0004H0003H第二组数据1111H2222H0003H第三组数据1112H2222H0005H以下为实验中显示结果：图6-8 显示2Ax图6-9 显示2Ax+1图6-10 显示2(2Ax+1)图6-11显示2(2Ax+1)+Bx+2Ax图6-12实验连线总 结本