计算机组成原理与系统结构

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1、计算机组成原理与系统结构课程设计专业班级学生姓名：学生学号：计算机科学与技术学院2011年1月目 录一、课程设计的目的3二、模型机的设计步骤3三、实验装置5四、课题设计51. 数据格式和指令系统52. 数据通路83. 时序系统84. 微指令格式95. 微程序控制器106. 微程序流程图107. 微程序代码表10*. 组装与调试10五、课设小结11六、附录12一、课程设计的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。二、模型机的设计步骤设计一台完整的计算机，大致需按如下的顺序

2、来考虑：1. 确定设计目标确定所设计计算机的功能和用途。2. 确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式，并给出具体的编码，比如指令的操作码，地址码等的位数及各种编码的含义。3. 确定总体结构（寄存器、加法器、选择器的设置与数据通路的设计）总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，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。对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器是微程序控制还是硬联控制等。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结构，确定采用何种方案的内总线及外总

3、线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。4. 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的执行流程。根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，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。5. 确定微程序地址确定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。6. 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。首先写出每个微地址以及该地址对应的微指令代码（共24位二进制信息），如下表所示：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8

4、ABCUA5UA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0其中：微地址表示控制存储器的地址，后面的24位表示微指令。然后将每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为：$M*，前面2个*表示该微指令的在微控制器中的地址，后面6个*表示该微指令代码。如上述表中

5、的四条微指令写成：$M00018110：表示在控制存储器地址00h处的代码是018110h。$M0101ED82：表示在控制存储器地址01h处的代码是01ED82h。$M0200C048：表示在控制存储器地址02h处的代码是00C048h。$M0300E004：表示在控制存储器地址03h处的代码是00E004h。7 编写工作程序并代码化编写测试用的工作程序，并写出内存映像，用二进制表示。然后代码化用16进制来表示，格式为：$P*，前面2个*表示该内存的地址，后面2个*表示该地址的数据。例如：$P0044：表示在内存地址00h处的数据是44h。$P0146：表示在内存地址01h处的数据是46h。

6、8 联机操作文件的建立为了从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，可用记事本来建立的，要求：a、 测试用的工作程序排在文件的前面，每个内存地址及代码占一行；b、 微指令代码排在文件的后面，每个微地址及微指令代码占一行；例如，下面是一个实验的文件(文件名：sample.txt)：$P0044$P0146$P0298$M00018108$M0101ED82$M0200C0509连接实验线路根据简单模型机的连线图连线，具体可参考数据通路图。10下载工作程序和微程序使用唐都软件将工作程序和微程序下载到实验箱的内存和控制存储器中。其中，自带电源线的实验

7、箱用NCMP53软件，启动软件后使用F4装载进行下载；外接电源线的实验箱用CMPP软件，启动软件后在菜单中选择转储/装载进行下载。11调试在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，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。可以使用控制台命令SWA、SWB的不同取值，或使用联机软件检查内存程序是否正确，微程序是否正确。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。可以使用单步微指令方式执行工作程序，也可以直接使用连续方式执行程序。在执行过程中，可以通过联机软件的数据通路图查看信息在计算机中的传送路径，更有利于掌握数据的通路结构。这样也可以直接验证程序和微程序的正确性。如果运行结果不正确，需要

8、返回来修改程序或微程序，每次修改后，需要重新完成第10步，将程序和微程序下载到实验箱中。三、实验装置TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。四、课题设计基本要求： 设计一台模型计算机。纲要内容：1. 数据格式和指令系统2. 数据通路3. 时序系统4. 微指令格式5. 微程序控制器6. 微程序流程图7. 微程序代码表具体细作：1. 数据格式和指令系统 数据的位数：8位。 数据格式： 定点数 指令的类型：按功能分：算逻运算、数据存取、程序控制、输入输出 按存取方式分：RR型、RS型 指令的格式和编码： 指令长度：单字节、双字节 操作码格式：固定长度(4位) 操作数的位数：原寄存器、

9、目的寄存器的表示 数据字节的含义：地址、数据1)数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：其中: 第7位为符号位，数值表示范围是：-1X1。2)指令格式 模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、访问及转移指令、IO指令和停机指令。(1) 算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式。(2) 访内指令及转移指令 模型机设计2条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)，2条转移指令，即无条件转移(JM

10、P)、结果为零或有进位转移指令(BZC)，指令格式为：其中，OP-CODE为操作码， Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：(3) 输入输出指令格式如下：其中，addr=01 时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码块作为输出设备。(4) 停机指令格式如下： 这类指令只有一条，即停机指令HALT 。3) 指令系统本道课设共设计有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访内指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他指令1条。下表列出了各条指令的汇编符号、指令的功能与格式。汇编符号功能指令

11、格式算术逻辑指令MOV rs,rdADD rs,rdRRC rdINC rdRLC rdAND rs,rdXOR rs,rdCOM rdCLR rd(rs)(rd)(rs)+(rd)rdrd右循环一位(rd)+1rdrd左循环一位(rs)(rd)(rd)(rs)|(rd)(rd)(d)rd0rd1000rsrd1001rsrd101000rd110100rd101100rd1110rsrd1100rsrd111100rd011100rd访内指令LAD X,D,rdSTA X,D,rdJMP X,DBZC X,D(M)rdrdMMPC若Z=1或C=1,则MPC00X00rdD00X01rdD00

12、X1000D00X1100DI/O指令IN Ms,rdOUT Ms,rd(Ms)rdrdMs010001rd010110rd其他指令HALT停机01100000这里，我们约定rs在操作文件中的代码为01,rd的代码为10。2. 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行传送。数据通路不同，指令所经过的操作过程也不同，机器的结构也就不一样，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，如下图所示： 数据通路结构框图3. 时序系统时序波形图：.4. 微指令格式本次课设中，微指令格式采用水平型微指令。为命令编码

13、采用直接表示法和字段直接译码法相结合的混合表示法，以缩短微指令长度。后继地址采用断定方式，微指令格式如下：控制字段（15）判别字段（3）下址字段（6）23 9 8 6 5 0操作控制字段15位，通过直接或字段译码方式对数据通路进行控制。下址字段6位，从而确定控制存储器容量为64个单元。判别测试字段3位，通过字段译码可用于规定P(1)P(7)七种测试，以及一种不测试P(0)。在P(0)=000情况下，按下址字段的地址直接取下一条微指令。这里只用P1P3。5. 微程序控制器微指令长度为24位，控制存储器即可采用3片EPROM(2716)用位并联方式组成，当只采用1片EPROM时，微指令可以用并串行

14、方式从EPROM中读出，分段打入到微指令寄存器。微程序控制器的框图如下：6. 微程序流程图鉴于流程图比较大，所以放在了附录。7. 微程序代码表50多条微指令的规模亦不可小觑，同上，表于附录。*. 组装与调试本次设计的调试工作在通用实验板上仅加上微程序控制器即可。分调：按功能模块进行分调试实现总调的前提和基础，分调的重点是时序部分和微程序控制器。分调工作首先应当调试时序部分，在时序部分调试正确后，可转入调试微程序控制器。用“单步”方式读出微指令，以检验微指令码和字段译码是否正确。总调：当分调正常后，连接各功能部件，进行总调试。第一步是检查全部微程序流程图；第二步是在内存中装入包括有全部指令系统的

15、一段程序和有关数据，进一步可采用单指令方式或连续方式执行，以验证机器执行指令的正确性；第三步是编写一段表演程序，令机器运行；第四步是实验验收，看是否与理论相符。五、课设小结本次课程设计主要设计一台微程序控制的模型机,以对计算机能有一个整机的概念,完成对计算机组成原理这门课程的综合应用,达到学习本书的作用。通过构思与设计，对于数据选择器、移位器、加法器、运算器、存储器和微程序控制器，有了全新的认识。由于本次设计的部件较多、结构原理较复杂，刚开始会感觉无从下手，所以整个过程采取至顶向下，从整体到局部的做法完成了设计，当然过程中也会有一些复杂的线路，偷懒用集成电路板直接带过，设计重点在于全局的把握。通过这次设计，能清楚的了解计算机的基本组成、基本原理和设计步骤、设计思路和调试步骤，最终能清晰的建立起整机概念，为独立完成计算机设计奠定了基础。在这次课程设计中，理论得到了一次实践，相关的知识在实际中得到运用，对课程知识有了更为直观的认识，感到收获很大。六、 附录附录一 微指令格式附录二 控制台命令控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)11启动程序(RP)附录三 微程序流程框图附录四 微程序代码表