1、北华航天工业学院计算机组成原理课设报告材料计算机组织与体系结构课程设计报告报 告 题 目：复杂模型机系统设计及运行 作者所在系部： 计算机科学与工程系 作者所在专业： 网络工程 作者所在班级： B11522 作 者 姓 名 ： 张旭刚 指导教师姓名： 房好帅 完 成 时 间 ： 2013/6/28 北华航天工业学院教务处制内容摘要 2课程设计任务书 3第1章 绪论 41.1 设计地点 41.2 设计目的 41.3 设计内容 41.4 实验的环境 41.5课程设计的要求 5第2章 基础知识 62.1 概述 62.2 主要技术要点 72.2.1 ALU部件 72.2.2. 存储体 72.2.3 控
2、制器 7第3章 系统设计与实现 93.1 模型机结构 93.2 程序设计原理 103.2.1 数据格式及指令格式 103.2.2 指令系统 113.2.3微指令设计 113.4.4 实验结果 20总结 21内容摘要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。本次计算机组成原理的课程设计主要是实现一个较完整的
3、模型机，在实验中了解，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。以及增强自己的动手能力。课设主要依托组成原理实验室设备EL-JY-II来完成的，在实验当中利用了实验设备厂商开发的工具以及部分源程序代码。 关键词 模型机 微指令 机器指令 微地址 微代码课程设计任务书课题名称复杂模型机系统设计及运行完成时间2013.6.28指导教师房好帅职称讲师学生姓名张旭刚班 级B11522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
4、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15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术/逻辑运算以及输入输出处理。（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。工作内容及时间进度安排总计2周
5、：1. 6月17日：资料查阅、确定选题、系统总体设计2. 6月18日21日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3. 6月24日28日：系统调试与运行，现场验收设计成果4. 6月28日：上交设计报告（打印稿及电子稿）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 第1章 绪论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计算机设计和实现（包括硬件和软件）。1.1 设计地点图书馆五楼计算机组成原理实验室。1.2 设计目的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
6、 设计内容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15条机器指令，实现比较完整的模型机功能，包括算术/逻辑运算以及输入输
7、出处理；（6）完成指定功能的实现，参加成果验收，撰写课程设计报告。1.4 实验的环境利用EL-JY-II型计算机组成与系统结构实验系统。系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置在扩展板上。1.5课程设计的要求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； 第2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
8、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
9、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
10、。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：（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
11、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于停止，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）总线控制逻辑：对总线信息传输控制。（9）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
12、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3章 系统设计与实现3.1 模型机结构运算器ALU由U7-U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS237构成，暂存器2由U5-U6两片74LS237构成。微控器部分控存由U13-U15三片281
13、6构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H-FFH。输出设备有底板上的四个LED数码管及其译码器、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可因不用。 图3-1 模型机结构3.2 程序设计原理3.2.1 数据格
14、式及指令格式本模型机规定数据采用整数表示，字长为16位。指令格式可设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。1算术逻辑指令 设计九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：表31 算术逻辑指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定如表3.2所示：表32 寄存器选择定义RS或RD选定的寄存器000110R0R1R22访问指令及转移指令 模型机设计两条访问指令，即存数、取数，转移指令，无条件转移(JMP)、指令格式如下：表33 访问、转移指令
15、格式7 65 43 21 00 0MOP-CODERDD其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址。D为位移量，M为寻址模式，其定义如下：表34 寻址模式定义寻址模式M有效地址E说明000110E= DE=(D)E=(PC)+D立即数寻址直接寻址间接寻址3I/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35 输入输出指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrRD其中，addr=01时，选中输入设备，addr=10时，选中输出设备。3.2.2 指令系统表36列出各条指令的格式、汇编符号和指令功能。表36 指令格式、汇编符号和指令功能汇编符号指令格式功
16、能MOV rd，rsADD rd，rsSUB rd，rsINC rdAND rd，rsNOT rdROR rdROL rd1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rd rd1100 rs rd1101 rd rd1110 rd rd1111 rd rdrs-rdrs+rdrdrd-rsrdrd+1rdrs rdrdrdrdrdrdMOVD，rdMOV rd，D0010 00 rd D 0010 01 rd D rdDD rdJMP DMOV rd，D0000 1000 D 0000 10 rd D DPCDrdIN rd，KINOUT DISP，rd0100 10
17、 rd0100 01 rdKINrdRdDISPrd或rs 00 选择寄存器Ax 01选择寄存器BX 10选择寄存器CX3.2.3微指令设计 表37列出了本次实验所使用的微指令集微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFB13001011007FC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B462401
18、0100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340110000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9401000000379C141100001010FC142100010011F4145100101007F20521010100029EB 531010119403C1541011000029ED551011013003C1621100100003C1631100110025F565110101B
19、803C1 661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000DC17311101106F3C874111100FF73C975111101016E103.3 机器指令设计 表38列出了本次实验所使用的机器指令集地址（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 H10H0048 H0049H0094 H00D0H00F0 H0082 H0046H00A4 H00D0 H00E0H0082H
20、0046 H0094 H0082H0046 H0008H0000HIN Ax , KININ BX，KINADD AX，BXNOT AXROL AXMOV CX , AXOUT DISP, CXSUB AX, BXNOT AXROR AXMOV CX , AXOUT DISP, CXADD AX，BXMOV CX , AXOUT DISP, CXJMP 00H输入 AX输入 BXAX+BX AXNot（AX）AXAX循环左移一位AX CXCX DISPAXBX AXNot（AX）AXAX循环右移一位AX CXCX DISPAX+BX AXAX CXCX DISP00H PC3.4 联机实验3.
21、4.1 实验流程 图3-2 微程序流程图3.4.2 实验连线 图3-3 实验连线示意图3.4.3 实验步骤 （1）按照实验指导说明书连接硬件系统； （2）启动实验软件，打开实验课题菜单，选中实验课题并打开参数对话窗口；（3）微指令操作:写：在编辑框中打开实验指导书中的微指令程序，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0010”写状态，然后按W按钮,微程序写入控制存储器电路，结果如图3-2所示。 图3-4 写微指令读：将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0100”读状态，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“R”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中，如图3-3所示。 图3-5 读取微指令
22、保存:按“保存”按钮，微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中。 打开:按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中。 （4）机器指令操作:写: 在编辑框中打开自己预先编辑好的程序zcc.asm，将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，然后按“W”按钮,机器指令写入存储器电路；（注：对于8位机，十六进制代码为2位；对于16位机，十六进制代码可以是2位，也可以是4位。)，结果如图3-4所示。 图3-6 写机器指令读 ： 将实验箱上的K4K3K2K1拨至“0101”运行状态，在“读出指令地址”栏中填入两位十六进制地址，拨动“CLR”开
23、关对地址和微地址清零，然后按“读出”按钮，结果如图3-5所示。 图3-7 读机器指令保存： 按“保存”按钮，机器指令程序保存在一给定文件(*.ASM)中。 打开： 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。 单步: 在运行状态下运行程序前，先拨动“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: 在连续运行程序前，先拨动“CLR”开关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。程序中间会要求输入数据：图38 输入第一个数据 图3
24、9 输入第二个数据3.4.4 实验结果本次实验设计的机器指令实现的功能为：(AX+BX)*2-BX/2+BX输入数据：01、01； 中间结果输出: FFFB 8002最终结果输出：8003实验截图： 图310 实验结果总结通过本次课程设计，了解了微程序控制器的组成、微程序控制器的原理，学会设计简单的微程序，熟悉了基本电路及其功能。此次课程设计最关键的步骤是理解了复杂模型机的原理，只要原理理解了，编写机器指令就很容易。所以课程设计的最初阶段我们将大量时间花在了对原理的理解上，然后对实验指导书上的实验八进行了验证，因为本次课设是在实验八的基础上进行的。最后才编写机器指令，我们的机器指令用到了多种运
25、算，例如：加、减、乘、除、移位、求反等操作，但是运算结果却和我们笔算的不一样，我们就反复实验，后来在老师的帮助下才知道了我们原来把移位和除2这个问题弄混了，最后终于成功了。总的来说，本次课程设计中，我不但理解了复杂模型机的原理，同时也解了许多实验外的东西，对我以后的学习很有帮助。不但这样，我还与搭档王俊杰一块研究，一块讨论，反复的问老师不懂的地方。因此说：本次课程设计是成功的。课设过程中我们验证了对微程序控制器的实现过程，在实验过程中，我们亲自动手参与实验，在出现问题解决问题的过程中我们学到了更多关于实践的东西，使我们在课上学到的理论知识在课设中得到了更好的验证，做到理论与实践相结合。这次课程设计对提高我们的实践能力有很大的帮助。 参考文献1季福坤. 计算机组织与系统结构. 中国水利水电出版社，20102唐硕飞. 计算机组成原理. 高等教育出版社，20023白中英. 计算机组织与结构. 科学出版社，20034蒋本珊. 计算机组成原理. 清华大学出版社，20045黄钦胜. 计算机组成原理. 电子工业出版社，20036杨小龙. 计算机组织与系统结构实验教程西安电子科技大学出版社，2004指导教师评语及设计成绩 评 语 课程设计成绩： 指导教师： 日期： 年 月 日
