2011计算机组成原理课程设计报告

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课程设计(论文)任务书

院 专 业

一、课程设计(论文)题目 基本模型机设计与实现

二、课程设计(论文)工作自 2011 年 6 月 20 日起至 2011 年 6 月 24 日止。

三、课程设计(论文) 地点: 计算机组成原理实验室（5#301）

四、课程设计(论文)内容要求：

1．课程设计的目的

通过课程设计的综合训练，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步掌握整机

概念。培养学生实际分析问题、解决问题和动手能力，最终目标是想通过课程设计的

形式，帮助学生系统掌握该门课程的主要内容，更好地完成教学任务。

2．课程设计的任务及要求

1）基本要求

（1）课程设计前必须根据课程设计题目认真查阅资料；

（2）实验前准备好实验程序及调试时所需的输入数据；

（3）实验独立认真完成；

（4）对实验结果认真记录，并进行总结和讨论。

2）课程设计论文编写要求

（1）按照书稿的规格撰写打印课设论文

（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、附录等

（3）正文中要有问题描述、实验原理、设计思路、实验步骤、调试过程与遇到问

题的解决方法、总结和讨论等

（4）课设论文装订按学校的统一要求完成

3）课设考核

从以下几方面来考查：

（1）出勤情况和课设态度；

（2）设计思路；

（3）代码实现；

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（4）动手调试能力；

（5）论文的层次性、条理性、格式的规范性。

4）参考文献

[1] 王爱英. 计算机组成与结构[M]. 北京：清华大学出版社, 2007.

[2] 王爱英. 计算机组成与结构习题详解与实验指导[M]. 北京：清华大学出版社,

2007.

5）课程设计进度安排

内容 天数 地点

构思及收集资料 1 图书馆

实验与调试 3 实验室

撰写论文 1 图书馆

6）任务及具体要求

包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算指令，程序控制指令。学生须根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单机器指令程序。将实验设备通过串口连接计算机，通过联机软件将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通

过联机软件显示和观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符

合设计要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。

学生签名：

2011年 6月 20 日

课程设计(论文)评审意见

（1）设计思路 ：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；

（2）代码实现 ：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；

（3）完成调试能力评价 ：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；

（4）论文格式规范性评价 ：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；

（5）考勤和态度 ：优（ ）、良（ ）、中（ ）、一般（ ）、差（ ）；

评阅人： 职称： 讲师

2011 年 6 月 28 日

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目 录

1 绪 论 ........................................................................................... 1

1.1课程设计的目的及意义 ......................................................................... 1

1.2课程设计的内容 ..................................................................................... 1

1.3预期的结果 ............................................................................................. 1

2 实验原理 ......................................................................................... 2

3设计思路 .......................................................................................... 6

3.1连接线路图 ............................................................................................. 6

3.2指令格式及程序的相关说明 ................................................................. 7

3.3操作步骤 ................................................................................................. 8

3.4相关操作说明 ....................................................................................... 10

4调试过程和分析 ............................................................................ 11

4.1 IN部分调试及分析 ............................................................................. 11

4.2 ADD部分调试及分析 ........................................................................... 11

4.3 STA部分调试及分析 ........................................................................... 12

4.4 OUT部分调试及分析 ........................................................................... 12

4.5 JMP部分调试及分析 ........................................................................... 12

5 总结................................................................................................ 13

参考文献 ........................................................................................... 15

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1 绪 论

1.1课程设计的目的及意义

通过课程设计的综合训练，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一

步掌握整机概念。培养实际分析问题、解决问题和动手能力，最终目标是

通过课程设计的形式，系统掌握该门课程的主要内容。

1.2课程设计的内容

设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条简单的计算机指令，

其中至少包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算

指令，程序控制指令。须根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令

代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单机器指令

程序。将实验设备通过串口连接计算机，通过联机软件将机器指令程序和

编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通过联机软件显示和观

察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符合设计要

求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。

1.3预期的结果

综合运用所学计算机原理的知识,依照设计要求和指导,实现一个基本

的模型计算机。本模型机实现的功能有：IN（输入）, ADD（二进制加法），

STA（存数），OUT（输出），JMP（无条件转移）。在了解微程序的基本格式,

及各个字段值的作用后, 按微指令格式参照指令流程图，设计出程序以及

微程序，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码转换

为联机操作时的十六进制格式文件。根据机器指令系统要求，设计微程序

流程图及确定微地址。设计的加法中, 被加数都由调试人员输入, 而加数

都从存储器中读取. 最后上机调试，各个功能运行结果正确。

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2 实验原理

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次

实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的

功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存

中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的

序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存

数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。其中IN为单字长，其余为双字长

指令。

为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执

行，还必须设计三个控制台操作微程序。

存储器读操作（KRD）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为

“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。

存储器写操作（KWE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为

“01”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写入。

启动程序：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“11”时，

按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行上

述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：

表2.1控制台指令状态：

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表2.2微代码定义：

根据以上要求设计数据通路框图如图2.1所示：

图2.1数据通路框图

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系统涉及到的微程序流程如图2.2所示：

运行微程序

图2.2微程序流程图

当拟定“取址”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（1）测试。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。

控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。

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表2.3微指令二进制代码：

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3设计思路

3.1连接线路图

连接实验线路如图3.1所示：

图3.1实验连线图

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3.2指令格式及程序的相关说明

本次课程设计采用联机读/写程序

按照规定的格式，将机器指令及微指令二进制表编辑成十六进制的如下格式文件。

机器指令格式说明：

微指令格式说明：

程 序：

$ P0000 //

$ P0120 //

$ P021A

$ P0300 //IN

$ p0420 //

$ p051B

$ P0600 //IN

$ P0750

$ P081B

$ PO920 //

$ P0A1C

$ P0B30 //OUT [1CH]

$ P0C1C

$ P0D40 //JMP [00H] 00H

$ P0E00

$ M00108101

$ M0182ED01

$ M0248C000

$ M0304E000

$ M0505B000 IN “05”→R0 STA [1AH] R0→[1AH] “01”→R0 STA [1BH] R0→[1BH] “1AH”→R0 STA [1CH] R0→[1CH] →PC

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$ M0506A201

$ M06019A95

$ M071FE000

$ M08011000

$ M0983ED01

$ M0A87ED01

$ M0B8EED01

$ M0C96ED01

$ P0D19E201 //RO→AR

$ M0E0FE000

$ M0F15A000

$ M1092ED01

$ M1194ED01

$ M1217A000

$ M13018001

$ M14182000

$ M15010A07

$ M1681D100

$ M17100A07

$ M18118A06

3.3操作步骤

开机后，启动Windows系统，进入ZC文件夹，运行联机软件的CMP.EXE进入DVCC组成原理实验系统主画面打开电源，根据所使用的PC微机串口选择键入1或2，本次课程设计使用的PC微机串口是1，键入1，测试通过后，进入主菜单，如下表3.1所示：

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表3.1 联机软件主菜单

进入主菜单后，用传送文件功能（F4_Load）将该格式文件传入实验系统。

此功能键可完成对程序存储器及控制存储器的写入。按下“F4”，系统提示输入需装入的文件名，本次课程设计输入文件名为“EX1”，输入后回车，系统开始装入程序，成功后，屏幕显示“装入完成”。

装入的文件必须在当前路径，文件格式应符合全屏幕编辑的规定。若文件不在当前路径，拷贝至当前目录即可。

运行程序

①单步运行程序

A．使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR（0→1），微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。

C．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。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。

D．当运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。

②连续运行程序

A．使“STATE UNIT”中的STEP开关置于“EXEC”状态，STOP开关置为“RUN”状态。

B．拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。

C．停机后，可检查存数单元（0B）结果是否正确。

③若联机运行程序时，按下“F6”进入调试界面进入DEBUG调试界面，总清开关CLR（0→1）清零后，程序首地址为00H，按相应功能键即可联机运行、调试程序。执行完一条指令后，计算机会根据指令的执行过程在屏幕上画出数据流图，有效的控制信号用高亮显示，并将下一条微指令显示在屏幕下方，可以直接地观察到指令的执行过程。

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3.4相关操作说明

单步执行机器指令。一条机器指令对应一段微程序，每执行一条微指令，计算机同时显示数据流图，执行完整条机器指令后停机，此时可以再键入“F1”继续单步下一条机器指令。

单步微程序。每按动一次“F2”，单步执行一条微指令，同时显示数据流图。

连续运行。按下“F3”后，系统开始连续运行程序，同时显示数据流图。此时按下任意键可终止程序运行。注意，按任意键有可能不会立即终止程序运行，只有当一条机器指令运行完后，此命令才有效。

返回主菜单，按ESC键也可完成。

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4调试过程和分析

4.1 IN部分调试及分析

按照3设计思路操作运行微程序。

开始时PC=00H，PC->AR,PC+1,PC将00传给AR（地址寄存器），PC加1，此时PC=01H，之后00传给RAM（随机储存器），00再传给IR（指令寄存器），到达微控制器。进行判断。

输入指令是由SW→R0微指令组成，在实验仪左下方“INPUT DEVICE”的8位数据开关D7~D0输入数据,并记录输入数据=(0000 1000)，“INPUT DEVICE”将08传给R0，如图4.1所示：

图4.1“INPUT DEVICE”将08传给R0示意图

4.2 ADD部分调试及分析

此时PC=01H，PC—>AR，此时AR=01H，PC+1，PC变为02H，RAM—>BUS，BUS—>IR，地址寄存器中，地址01H中存的内容是10H，之后进入微程序控制器中进行判断，因为是10H所以进行加法指令（ADD），PC—>AR，此时AR=02H，PC+1，此时PC=03H，RAM—>BUS，BUS—>AR，RAM中存的是地址0AH，

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RAM—>BUS，BUS—>DR2，从地址0AH中取出操作数，并将取出的操作数赋给DR2，将R0中的数赋给DR1，之后进行（DR1）+（DR2）运算，将运算结果赋给R0。

4.3 STA部分调试及分析

经过加法运算之后，PC=03H，PC—>AR，此时AR=03H，PC+1，此时PC=04H，执行传送指令（STA）时，传送指令（STA）是由PC→AR PC+1，RAM→BUS BUS→AR，R0→BUS BUS→RAM 3条微指令组成。传送（STA）指令的功能是把R0中的内容写入指定的RAM单元中。在微地址Addr=(01(N))时，是执行PC→AR，PC+1微指令；该条微指令完成将PC的内容送到地址寄存器AR并将PC加1的操作；与屏幕动态流线显示的结果一致；AR与RAM所显示的内容正确；此时写信号WE和片选信号CE有效；因为只有片选信号CE有效才能确定所要写的内存单元，只有写信号WE有效才能对所选的单元进行写操作。

4.4 OUT部分调试及分析

执行输出指令（OUT）时，传送指令（OUT）由PC→AR PC+1，RAM→BUS BUS→AR，RAM→BUS BUS→DR1，DR1→LED微指令组成。该条指令的功能是将指定的RAM单元中的内容送到BUS上。在微地址Addr=(01(N))时, 观察屏幕上“OUTPUT”方框中显示的数据，根据实验程序例子中OUT指令的要求，“OUTPUT”方框中的数据正确；“OUTPUT”方框中的数据为（02）。

4.5 JMP部分调试及分析

执行无条件转移指令（JMP），无条件转移指令（JMP）由PC→AR PC+1，RAM→BUS BUS→PC指令组成。在执行无条件转移指令时，该条指令的功能是使正在执行的指令无条件转移到指定的地址；所指定的转移地址是属于机器指令地址。在微地址Addr=(01(N))时, 观察屏幕上“PC= ”的方框中显示的数据，根据实验程序例子中JMP指令的要求转移地址，该数据是程序指定转移的地址；PC=（00）。

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5 总结

本次课程设计要设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条简单的计算机指令，其中至少包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算指令，程序控制指令。在掌握部件单元电路实验的基础上，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，达到系统掌握该门课程的主要内容的作用。作为一个软件专业的学生这是必需掌握的，使我们对数据选择器，移位器，加法器，运算器，存储器和微程序控制器，有了比较透彻的认识。

由于计算机涉及的部件较多，结构原理较复杂，对于我们这样的初设计者来说感到无从下手，所以我们在整个过程中采取由浅入深，由简单到复杂的放法，通过这次设计，使我们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。

有了前几次计算机组成原理实验的经验，在此次课设中，我熟练的连接好了线路，并且在老师的指导下，顺利的进入到进入DVCC组成原理实验系统中，其中前半部份的实验是正确的，但后来却出现了错误，如“INPUT DEVICE”的数据没有传给R0中，而且实验中，RAM把地址当作指令传给了IR（指令寄存器中）。

课程设计结束了，虽然实验没有完全正确的实现，但是从中我也学到了不少知识。通过这次的计算机组成原理的课程设计，我对计算机内部元件的工作原理有了进一步的了解与认识。许多在课堂上没有听懂，没有学会的知识在课程设计的过程中暴露无遗，不过积极的方面是通过课程设计，我把这些知识上的明显漏洞给补上了。我对机器指令及微指令的的编码方法不了解，对计算机各部件的组成和工作原理也不是很理解。为了弄清楚这些问题，我又把课本拿出来重新学习相关的章节。虽然理论知识很重要，但是像我们这种工学类的课程，更重要的还是实践。理论联系实际，才能更好的掌握所学的知识。

在机房上机的时候也遇到了一些问题，不过在老师详细的讲解下，由于机房设备的不完备，老师口头的讲述了整个基本模型机的指令执行过程，这让我更加深刻的理解了相关的理论知识。

以前都只是在使用计算机，对它内部的部件组成和构造不是特别的清楚，在课程设计的最初阶段，我没有急于进行具体的设计，而是先理清思路，明确自己要做的工作是什么，如何来实现基本模型机的相关功能。课程设计就像是一个系统工程，内容多而复杂，必须先在整体上进行宏观的把握，然后再具体的进行实施。如果开始的方向就不对，那后面的改进就会很麻烦。

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通过课程设计帮助自己复习了这个学期所学的相关知识，心里也更加有信心。课程设计不仅巩固我的理论知识，将理论和实践结合起来，锻炼了我的动手能力，也让我认识到自己的不足之处，争取以后能克服这些缺点，更进一步提高自己各个方面的能力。

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参考文献

[1] 王爱英. 计算机组成与结构[M]. 北京：清华大学出版社, 2007.

[2] 王爱英. 计算机组成与结构习题详解与实验指导[M]. 北京：清华大学出版社，2007.

[3] 唐朔飞. 计算机组成原理[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

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黄才旺—基本模型机设计与实现

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0rue.html