1、计算机组成原理关于模型设计的课程设计学号：08033060224 成绩 计算机组成原理课程设计报告题 目 模型计算机及其设计 学院 电 信 学 院 专业 计算机网络技术 班级 08-2 学生 李成 指导教师 刘晶 设计时间 2010/12/2026 复杂模型机设计一. 课程设计概述 1、课程设计题目复杂模型机设计 2、课程目的通过课程设计，使学生对所学习过的计算机组成原理课程内容加以理解和巩固。通过实验使学生掌握计算机由哪些部件所组成，各部件间又是如何进行协调工作的。 3、主要任务 利用实验室的TDN-CM+教学实验箱，组建一较为复杂的模型计算机。通过自己编写一段复杂的程序，验证其能够正常运行
2、，了解计算机各部件的功能及它们之间如何协调工作。二、总体设计利用实验室的TDN-CM+教学实验箱，在windows 2000中，利用CMPP软件，载入自己已编写好的程序，再利用数据通路图对计算机的各部件功能进行模拟。实验的数据通路图如下：三、详细设计：1、本实验用的功能部件有：ALU（74181）：算术逻辑单元，计算机各种加法、减法等算术运算及逻辑运算都在这个单元完成。移位寄存器（74299）：对输入的数作左移或右移运算。DR1（74273）、DR2（74273）：数据缓冲寄存器，用来暂时存放ALU的运算结果，或由数据存储器读出的一个数据字，或来自外部接口的一个数据字。它作为ALU运算结果和通
3、用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲。3个通用寄存器R0（74374）、R1（74374）、R2（74374）：用于存放数据，它的功能是当算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。比如在执行一次加法运算时，选择两个操作数分别放在两个寄存器，让它们相加，所得的结果送回其中一个寄存器，而原寄存器的内空被代替。MEM（6116）：这个单元中有一个只读存储器，用于存放要执行的机器指令，CPU执行指令时首先要从这里取出指令。数据地址寄存器AR（74273）：用于暂时存放数据的在数存在的地址。程序计数器PC（74161）：程序计数器用于存放下一条CPU要执行的地址。指令寄存器（74
4、273）：用于存放当前要执行的指令，用于存放从指令存储器传送的地址。微程序控制器：采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。微程序控制器由指令寄存器IR、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、时序系统、控制存储器CM、微指令寄存器以及微地址形成电路。微地址寄存器等部件组成。执行指令时，从控制存储器中找到相应的微程序段，逐次取出微指令，送入微指令寄存器，译码后产生所需微命令，控制各步操作完成。I/O输入输出单元：包括输入和输出两部分，分别用于输入参与运算的原始数和输出运算的结果。2、本实验用的机器指令：$P0044 IN 01，R0 ；输入00000001(01) 放在R0$P0145 IN
5、 01，R1 ；输入00000010（02）放在R1$P0294 ADC R1，R0 ；两个数相加的结果R0=00000011（03）$P0858 OUT R0 ；输出R0，两个数的结果$P0A46 IN 01，R2 ；输入00000010 放在R2$P05A2 SBS R0,R2 ；RO减去R2$P0688 MOV R2,R0 ；R2存到R0$P0758 OUT RO$P08F0 RLC RO,RO$P09D0 COM R0，R0 ；将R0里的数取反$P0A58 OUT R0 ；输出R0$P0B60 HALT3.本次实验用到的指令及指令格式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
6、为8位，其格式如下：D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符号尾 数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、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：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODErsrd其中，OPCODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：rs或rd选定的寄存器000110R0R1R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2) 访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令无条件转移（JMP）和
7、结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7 D6D5 D4D3 D2D1 D00 0MOPCODErdD其中，OPCODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011EDE（D）E（RI）DE（PC）D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。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：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODEaddrrd其中，addr01时，选中“IN
8、PUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码块作为输出设备。4) 停机指令指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODE0000HALT指令用于实现停机操作。指令系统本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条，表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1助记符号指令格式功能CLR rdMOV rs，rdADC rs，rdSBC rs，rdINC rdAND rs，rdCOM rdRRC rs，rdRLC rs，rd一011100rd1000
9、rsrd1001rsrd1010rsrd1011rd1100rsrd1101rd1110rsrd1111rsrd0rdrsrdrs+rd+cyrdrs-rd-cyrdrd+1rdrsrdrdrdrsrdrsrdIN addr, rdOUT addr, rd010001rd010101rdaddrrdrdaddrHALT010001rd停机微指令格式实验计算机微指令采用的是24位指令格式。每一位表示一个微命令。24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8A B C uA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段 B字段1
10、21110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B 151414选择000001LDRI010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARC字段987选择000001P（1）010P（2）011P（3）100P（4）101AR110LDPC4.实验电路图四、实验步骤1. 按图连接实验线路2. 写入程序1) 手动写入A. 按如下步骤讲微代码写入微控器中的存储器2816中：1 将编程开关置为PROM（编程）状态。2 将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。3
11、 用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。4 在MK24MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量置为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。5 启动时序电路（按动启动按钮“START”），即将微代码写入到2816的相应地址对应的单元中。6 重复步骤，将所有的微代码写入2816中。B. 按如下步骤校验微代码1 将编程开关置为READ（校验）状态。2 将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。3 用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。4 启动时序电路（按动启动按钮“START”），读出微代码。观察显示灯MD24MD1的状态（灯亮为
12、“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行）即可。C. 按如下步骤使用KWE微程序进行机器指令程序的装入。1 使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2 拨动总清开关CLR（010），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“0 1”，并按动一次START，微地址显示灯显示“010001”。3 再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令。再按动两次START键后，即完成该条指令的写入，并且微地址显示灯显示“010001
13、”。（注：由KWE的流程图可知，该流程每执行一次，将向PC寄存器所指向的存储器单元中写入一个字节的数据，并且将PC加1。）4 如果还需要向存储器中输入数据，则需重复重新执行。D. 按如下步骤使用KRD微程序进行机器指令程序的检查。1 使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2 拨动总清开关CLR（010），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“0 0”， 并按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010000”。3 再按动一次START，微地址灯显示“010010”，第三次按动STRAT，微地址灯显示为“010111
14、”，再按动STRAT后此时输出单元的数码管显示为PC寄存器所指单元的内容。（注：由KRD的流程图可知，该流程每执行一次，将显示PC寄存器所指向的存储器单元中一个字节的数据，并且将PC加1。）4 如果还需要检查存储器中其他单元的数据，则需重复重新执行。2) 联机读/写程序将微代码写入文本文件中，通过联机软件载入实验系统。3. 运行程序1) 本机运行A. 单步运行程序1 使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。2 拨动总清开关CLR（010），微地址寄存器清零，程序计数器清零。3 单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程
15、序流程图，观察微地址显示灯是否与流程一致。4 当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。B. 连续运行程序1 使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“EXEC”状态，STOP为“RUN”状态。2 拨动总清开关CLR（010），微地址寄存器清零，程序计数器清零。3 按动START键，系统将连续运行程序，直至将STOP拨至“STOP”状态。4 当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论计算结果一致。2) 联机运行联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，运行即可。总清开关CLR清零（1-01）后，使程序首址及微程序地址为00H，程序可从头开始
16、运行。五、课程设计总结 本次是一次综合性的实验，在上一次基本系统模型实验的基础上进一步深入的学习。所以这次实验的前提和重点问题“搭线”，就可以更加熟悉和快速的完成任务，但是这也花费了将近一天的时间，确实够累的，刚开始尽管我多么的细心和认真的在搭建每条线路，但是等到测试的时候依然出现了一些我一时间难以找出的线路问题，致使我重复了两次搭线过程。当然最后，我的努力没有白费，在成功的那一刻，我无比自豪和充满成就感！接着就是对代码的分析与设计，即使刚开始无从下手，曾经一度想打退堂鼓，但是坚持，依然战胜了屈服，经过跟同学们的讨论研究，终于掌握了编写代码的一些规律与诀窍。一起编写代码过程中，为了满足自己想得到的功能与结果，不断的实验，再实验，找出漏洞与错误，修改、完善。最后不仅完成了自己的目标代码功能，而且还更加的掌握了代码面临各种错误时的修正与补充！ 这次的课程设计，真的受益匪浅，不仅明白了组成计算机的各部件的功能和它们之间如何协调工作的，还更深层次的理解和掌握了微程序控制器、算术逻辑指令和访问内存指令及转移指令等的功能和使用。就自己而然，这也只是其次，最重要的一点就是让我对计算机组成原理这门科目或相关知识的现实运用感到非常有兴趣，这是一种前所未有的学习冲劲，希望伴随着这种兴趣、冲劲可以让我完完全全吃透这一技术！六.参考文献计算机组成原理 白中英 主编 科学出版社 实验指导书
