北华航天工业学院 - - 计算机组成原理课设报告 - 图文

《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

目 录

目 录 ................................................................................................................................ 1 内容摘要 ............................................................................................................................ 2 课程设计任务书 ................................................................................................................ 3 第1章 绪论 ................................................................................................................... 4

1.1 设计地点 ............................................................................................................ 4 1.2 设计目的 ............................................................................................................ 4 1.3 设计内容 ............................................................................................................ 4 1.4 实验的环境 ........................................................................................................ 4 1.5课程设计的要求 ................................................................................................. 5 第2章 基础知识 ............................................................................................................. 6

2.1 概述 .................................................................................................................... 6 2.2 主要技术要点 .................................................................................................... 7

2.2.1 ALU部件 .............................................................................................. 7 2.2.2. 存储体 .................................................................................................. 7 2.2.3 控制器 ................................................................................................. 7

第3章 系统设计与实现 ................................................................................................. 9

3.1 模型机结构 ........................................................................................................ 9 3.2 程序设计原理 .................................................................................................. 10

3.2.1 数据格式及指令格式 ......................................................................... 10 3.2.2 指令系统 ............................................................................................. 11 3.2.3微指令设计 ............................................................................................ 11 3.3 机器指令设计 .................................................................................................. 13 3.4 联机实验 ........................................................................................................ 13

3.4.1 实验流程 ............................................................................................... 13 3.4.2 实验连线 ............................................................................................... 14 3.4.3 实验步骤 ............................................................................................... 15 3.4.4 实验结果 ............................................................................................... 20

总 结 .............................................................................................................................. 21 参考文献 .......................................................................................................................... 21

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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

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课程设计任务书

课题名称 复杂模型机系统设计及运行 讲师 学生姓名 张旭刚 完成时间 班 级 2013.6.28 B11522 指导教师 房好帅 职称 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： 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

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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 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。

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3.2 程序设计原理

3.2.1 数据格式及指令格式

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

表3－1 算术逻辑指令格式 7 6 5 4 OP-CODE 3 2 addr 1 0 RD 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：

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3－2 寄存器选择定义 RS或RD 00 01 10 选定的寄存器 R0 R1 R2

2．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3－3 访问、转移指令格式 7 6 0 0 5 4 M D 3 2 OP-CODE 1 0 RD 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3－4 寻址模式定义 寻址模式M 00 01 10 有效地址E E= D E=(D) E=(PC)+D 说 明 立即数寻址 直接寻址 间接寻址 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3－5 输入输出指令格式

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7 6 5 4 OP-CODE 3 2 addr 1 0 RD 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3－6列出各条指令的格式、汇编符号和指令功能。

表3－6 指令格式、汇编符号和指令功能

汇编符号 MOV rd，rs ADD rd，rs SUB rd，rs INC rd AND rd，rs NOT rd ROR rd ROL rd MOV[D]，rd MOV rd，[D] 指令格式 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rd 0010 00 rd D 0010 01 rd D JMP D MOV rd，D IN rd，KIN OUT DISP，rd 0000 1000 D 0000 10 rd D 0100 10 rd 0100 01 rd KIN→rd Rd→DISP D→PC D→rd 功能 rs-→rd rs+rd→rd rd-rs→rd rd+1→rd rs rd→rd rd→rd rd rd rd→[D] [D] →rd rd或rs 00 选择寄存器Ax 01选择寄存器BX 10选择寄存器CX 3.2.3微指令设计

表3－7列出了本次实验所使用的微指令集 微地址（八进制） 00 01 02

微地址（二进制） 000000 000001 000010 11

微代码（十六进制） 007F88 005B42 016FFD

06 07 10 11 12 13 14 20 22 23 24 25 27 30 31 32 33 34 35 36 37 40 41 42 45 52 53 54 55 62 63 65 66 67

000110 000111 001000 001001 001010 001011 001100 010000 010010 010011 010100 010101 010111 011000 011001 011010 011011 011000 011101 011110 011111 100000 100001 100010 100101 101010 101011 101100 101101 110010 110011 110101 110110 110111 12

015FE5 015FE5 005B4A 005B4C 014FFB 007FC1 01CFFC 005B65 005B47 005B46 007F15 02F5C1 018FC1 0001C1 0041EA 0041EC 0041F2 0041F3 0041F6 3071F7 3001F9 0379C1 010FC1 011F41 007F20 0029EB 9403C1 0029ED 3003C1 0003C1 0025F5 B803C1 0C03C1 207DF8

70 71 72 73 74 75

3.3 机器指令设计

111000 111001 111010 111011 111100 111101 000DC1 107DFA 000DC1 06F3C8 FF73C9 016E10 表3－8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） 00 H 01 H 02 H 03 H 04 H 05 H 06 H 07 H 08 H 09 H 0A H 0B H 0C H 0D H 0E H 0F H 10H 0048 H 0049H 0094 H 00D0H 00F0 H 0082 H 0046H 00A4 H 00D0 H 00E0H 0082H 0046 H 0094 H 0082H 0046 H 0008H 0000H 助记符 IN Ax , KIN IN BX，KIN ADD AX，BX NOT AX ROL AX MOV CX , AX OUT DISP, CX SUB AX, BX NOT AX ROR AX MOV CX , AX OUT DISP, CX ADD AX，BX MOV CX , AX OUT DISP, CX JMP 00H 说明 输入 AX 输入 BX AX+BX → AX Not（AX）→AX AX循环左移一位 AX → CX CX → DISP AX—BX → AX Not（AX）→AX AX循环右移一位 AX → CX CX → DISP AX+BX → AX AX → CX CX → DISP 00H → PC

3.4 联机实验 3.4.1 实验流程

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图3-2 微程序流程图

3.4.2 实验连线

AO1 BO1 LDRO1 微控器接口 LDRO2 ALU_GOUT AROUT STATUS WEI UAJ1 WEO G_299OUT LDR1 LDR2 ALU_G AR S3--S0 M CN G_299 运算器接口 控制总线 1B Y2 Y1 D_G D15----D0 W/R 1A C1---C6 W/R W/R F4F3F2F1 T4T3T2T1 I/O控制 MD15---MD0 数据总线 输出显示 AD7---AD0 地址总线 MA7---MAO MD15---MD0 WE 主存储器电路 CE 图3-3 实验连线示意图

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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:

①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\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

②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。

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图3-5 读取微指令

③保存:按“保存”按钮，微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中。 ④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:

①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。

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图3-6 写机器指令

②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。

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图3-7 读机器指令

③保存： 按“保存”按钮，机器指令程序保存在一给定文件(*.ASM)中。 ④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。 ⑤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。

⑥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。

⑦程序中间会要求输入数据：

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图3－8 输入第一个数据

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图3－9 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3－10 实验结果

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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，2010 [2]唐硕飞. 计算机组成原理. 高等教育出版社，2002 [3]白中英. 计算机组织与结构. 科学出版社，2003 [4]蒋本珊. 计算机组成原理. 清华大学出版社，2004 [5]黄钦胜. 计算机组成原理. 电子工业出版社，2003

[6]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

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评 语 指导教师评语及设计成绩 课程设计成绩： 指导教师： 日期： 年 月 日

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