模型机设计与实现 - 图文

武汉理工大学华夏学院《计算机组成原理简明教程》课程设计说明书

学号

武汉理工大学华夏学院

课 程 设 计

课程名称 计算机组成原理

题 目 模型机设计与实现

专 业 计算机科学与技术 班 级 姓 名 成 绩 __________________ 指导教师 田 小 华

2013 年 1 月 23 日

武汉理工大学华夏学院《计算机组成原理简明教程》课程设计说明书

课程设计任务书

设计题目 模型机设计与实现 设计目的

1. 巩固和加深所学的硬件系统知识； 2. 学习和掌握硬件系统的设计方法；

3．掌握计算机各模块的原理和相互关系,建立计算机整机概念

4．利用基本模型机的构建与调试实验，完整地建立计算机硬件的整机模型，掌握CPU的基本结构和控制流程，掌握指令执行的基本过程。

设计任务 （在规定的时间内完成下列任务）

1．掌握CISC微控制器功能与微指令格式 2．设计五条机器指令,并编写对应的微程序

3．在TDN-CM+教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果

时间安排

1.第21周周1(1月21日下午):全体集中讲解课程设计原理与方法 2.第21周周1～5(1月21～24日):分班调试，撰写设计报告

具体要求

1．1月21日周1：熟悉任务，掌握设备 2．周2：完成模型机的实验线路连接 3．周3：调试模型机，记录实验结果 4．周3：拟定课程设计报告大纲

5．周4：撰写并打印课程设计报告

指导教师签名： 田小华 2013 年 1 月 21日

教研室主任签名： 201 年 月 日

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目录

1 课程设计目的··························································1 2 设备··································································1 3 课程设计内容

3.1 课程设计原理······················································1 3.2 微指令格式························································6 3.3 微程序流程图······················································6 3.4 微指令二进制代码表················································7 3.5实验步骤

3.5.1实验接线图····················································9 3.5.2 操作步骤·····················································10 4系统调试

4.1 系统调试过程·····················································12 4.2 系统运行截图·····················································12 4.3 实验结果分析·····················································14 5课程设计总结

5.1 给出每条机器指令的微程序(十六进制格式)···························14 5.2课程设计心得、经验教训及注意事项

5.2.1 注意事项·····················································15 5.2.2 经验教训及心得体会···········································16 附录 参考文献·························································17

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模型机设计与实现

1课程设计目的

掌握计算机各功能模块的工作原理和相互关系,建立计算机的整机概念

2设备

TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干

3课程设计内容

3.1课程设计原理

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）。

地 址（二进制） 容（二进制） 助记符 说 明

0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE(班号)”→R0 0000 0001 0001 0000 ADD [0AH],R0 R0+[0AH] →R0 0000 0010 0000 1010

0000 0011 0010 0000 STA R0,[0BH] R0→[0BH] 0000 0100 0000 1011

0000 0101 0011 0000 OUT [0BH] [0BH] →LED 0000 0110 0000 1011

0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H→ PC 0000 1000 0000 0000 0000 1001

0000 1010 0000 1001 学号(18号同学) 0000 1011 求和结果(班号加学号)

IN指令：输入开关值的数据即输入班号：42H。开关拨出01000010，将这个数据送入R0中。 将内存6116的OAH中放入自己的学号即18=12H。 ADD指令：进行班号+学号运算

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OUT指令：内存OB单元的内容将在LED模块上显示，若是LED模块有问题的话，在数据总线上也可以看到。

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：

其中6116中的地址以及内存的读、写、运行等，都是通过联机直接加载上去的，不用自己动手去操作。

实验数据通路框图，见图1

SWB 0 0 1 SWA 0 1 1 控制台指令 读内存（KRD） 写内存（KWE） 启动程序（RP）

图1实验数据通路框图

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3.2微指令格式

实验过程中使用的机器指令的微指令格式如图2

图2 微指令格式

3.3微程序流程图

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图3 微指令流程图

3.4微指令二进制代码表

微指令二进制代码表，详见表1

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表1 微指令二进制代码表

八进制 二 进 制 格 式 A B 000 110 000 000 000 001 101 000 000 110 110 110 110 001 000 000 110 110 000 000 000 101 000 101 101 C μA5～μA0 十 六 进 制 格 式 微地址 微指令内容 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 018110H 01ED82H 00C048H 00E004H 00B005H 01A206H 959A01H 00E00DH 001001H 01ED83H 01ED87H 01ED8EH 01ED96H 028201H 00E00FH 00A015H 01ED92H 01ED94H 00A117H 018001H 002018H 070A10H 00D181H 070A10H 068B11H 8 微地址 S3S2S1S0 M CnWE A9A8 00Q 01Q 02Q 03Q 04Q 05Q 06Q 07Q 10Q 11Q 12Q 13Q 14Q 15Q 16Q 17Q 20Q 21Q 22Q 23Q 24Q 25Q 26Q 27Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 000 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 1 100 0 0 0 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 1 011 0 0 0 0 0 0 0 1 1 010 1 0 0 1 0 1 0 1 1 001 0 0 0 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 0 001 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 1 0 1 000 0 0 0 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 1 010 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 1 010 0 0 0 0 0 0 0 1 1 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 010 0 0 0 0 0 1 1 1 0 000 0 0 0 0 0 0 0 0 1 101 0 0 0 0 0 1 1 1 0 000 0 0 0 0 0 1 1 0 1 000 100 0 1 0 0 0 0 110 0 0 0 0 1 0 001 0 0 1 0 0 0 000 0 0 0 1 0 0 000 0 0 0 1 0 1 000 0 0 0 1 1 0 000 0 0 0 0 0 1 000 0 0 1 1 0 1 000 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 1 1 110 0 0 0 1 1 1 110 0 0 1 1 1 0 110 0 1 0 1 1 0 000 0 0 0 0 0 1 000 0 0 1 1 1 1 000 0 1 0 1 0 1 110 0 1 0 0 1 0 110 0 1 0 1 0 0 100 0 1 0 1 1 1 000 0 0 0 0 0 1 000 0 1 1 0 0 0 000 0 0 0 0 0 1 110 0 0 0 0 0 1 000 0 1 0 0 0 0 000 0 1 0 0 0 1 30Q 武汉理工大学华夏学院《计算机组成原理简明教程》课程设计说明书

3.5实验步骤

3.5.1实验接线图

图4 实验接线图

注意：接线过程中不得有任何错误

①模块一定要通过总线BUSUNIT部件数据线连接，包括：ALU UNIT REG UNIT ADDRESS UNIT模块

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②输入输出设备直接通过EX UNIT

③EXT BUS上W/R 要与MAIN MEM 上的W/R 以及OUTPUT DEVICE上的W/R都分别连线

④注意在连线前要验线：从开关接到总线单元，SW-B置为0，拨动开关，LED等会有相应的显示

3.5.2操作步骤

⑴ 微控器编程开关拨至RUN,“STEP”→STEP,“STOP”→RUN ⑵ 实验箱利用COM1口与微机连接，实验箱加电，启动微机：

开机以后，进入界面，测试COM口，若测试正常则接着往下做，若是失败，则立即更换实验箱。

①进入安装实验系统的目录，例如D：\\CMP； ②对实验箱复位；

③桌面上选择:CMP图标，运行CMP.EXE，进入实验运行环境； ④选择转载菜单的装载功能: C:\\TANGDU\\CMP\\SAMPLE\\EX1.TXT 第一个是把机器指令转储，第二个是把所有的微指令转储到控制器中 ⑤选择数据通路图标：开关置班号,内存0AH单元置学号 班号：42H：0100 0010 学号：12H：0001 0010 ⑥试验箱上CLR:1→0→1

⑦运行菜单的连续运行功能，若运行正确，将在“OUTPUT”模块看到十六进制的结果： 班号加学号的和 ：42H+12H=54H

⑧采用单步或连续运行方式执行机器指令程序，请参照机器指令程序及微程序流程图，将实验结果与程序的理论分析结果进行比较，验证实验系统执行机器指令程序的正确性。 EX1文本文件内容如下： 机器指令程序: $P0000 $P0110

$P020A $P0320 $P040B $P0530

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$P060B $P0740 $P0800 $P0A12

机器指令对应的微程序:$M00018110

$M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004 $M0400B005 $M0501A206 $M06959A01 $M0700E00D $M08001001 $M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E $M0C01ED96 $M0D028201 $M0E00E00F $M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94 $M1200A017 $M13018001 $M14002018 $M15070A01 $M1600D181 $M17070A10

$M18068A11

若运行不正确，首先检查连线有无错误11

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4系统调试

4.1 系统调试过程

(1)将数据开关置为42H(0100 0010); (2)向地址[0A]单元中置数据12H(0001 0010);

（3）将R0中的班号42H(0100 0010)装入DR1中，同时将内存RAM中的学号12H(0001 0010)装入DR2中。

（4）将DR1和DR2的值送入ALU运算器中，进行加法运算，得结果为54H，并将其送入R0中。

（5）将R0中的和送入输出单元OUTPUT中。

4.2系统运行截图

图5 运行截图1

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图6 运行截图2

图7 运行截图3

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图8 运行截图4

4.3实验结果分析

理论分析：输入的班号为42H（0100 0010），学号为18H（0001 1000），则两个数相加为： 42H+18H=54H（0101 0100B）。 实验结果：输出和为54H，二进制数为0101 0100。 由上面可得理论分析和实验结果相吻合，故实验正确。

5课程设计总结

5.1给出每条机器指令的微程序(十六进制格式):

IN: 01H→02H→10H 01H: 01ED82H 02H: 00C048H 10H: 01ED92H

ADD:01H→02H→11H→03H→04H→05H→06H 01H:01ED82H 02H:00C048H 11H:01ED94H

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03H:00E004H 04H:00B005H 05H:01A206H 06H:959A01H

STA:01H→02H→12H→07H→15H 01H:01ED82H 02H:00C048H 12H:00A117H 07H:00E00DH 15H:070A10H

OUT:01H→02H→13H→16H→17H→25H 01H:01ED82H 02H:00C048H

13H:01ED94H 16H:00E004H 17H:00B005H 25H:01A206H JMP:01H→02H→14H→26H 01H:01ED82H 02H:00C048H 14H:01ED94H 26H:00E004H

5.2课程设计心得、经验教训及注意事项

5.2.1注意事项

①接线过程中不得有任何错误

模块一定要通过总线BUSUNIT部件数据线连接，包括：ALU UNIT

REG UNIT 15

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ADDRESS UNIT模块；输入输出设备直接通过EX UNIT ；EXT BUS上W/R 要与MAIN MEM 上的W/R 以及OUTPUT DEVICE上的W/R都分别连线；注意在连线前要验线：从开关接到总线单元，SW-B置为0，拨动开关，LED等会有相应的显示。

②开机以后，进入界面，测试COM口，若测试正常则接着往下做，若是失败，则立即更换实验箱。

③加载时第一个是把机器指令转储，第二个是把所有的微指令转储到控制器中

④内存0AH单元置学号时，置入的内容并不是18，而是自己学号变为十六进制的数：18=12H，所以内存0AH单元置入的数为12.

5.2.2经验教训及心得体会

首先这次课程设计感触最最深刻的就是，连线时一定要认真了再认真，不然你就在那各种纠结吧。我就是因为实验连线时有两个2芯排线插错位了而导致实验总也不成功，找各种原因都解决不了，最终抱着最后的希望检查了一下繁琐的连线，才终于成功了。因为课设连得线很多很乱，稍一不注意就连错了，所以做事情时一定要认真细心。

当拿到课程设计的指导书时，一看到那复杂的数据通路图及实验接线图就感到很头大，那么多得线呀，稍一不注意就连错了，还有就是感觉好难。不过在做课设前老师给我们一一讲解了一下，同时也告诉了我们好多注意事项，省去了我们走很多弯路。

真正的开始做时，首先要验线，看排线是不是都是好的，免得到时实验运行不成功却是线的问题，那就很得不偿失了。然后将原理图连好的，本来在想，虽然图看起来复杂，但只要按照图来，就没问题了，可想起来简单，做起来也简单，连错的几率很大呀，刚开始连完线可是狠狠舒了口气，终于连完了，最后运行不出来，检查来检查去还是线连错了，还是找同学和我一起检查出来的。接下来的工作就是一些联机操作了，做起来也就比较是顺利了。

做完后，我学到了很多，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,并且加深对理论课程的理解。还有就是，我们的学习除了理论知识外还要动手去做，动手去实践，只有在实践中才能真正的理解我们在原理中学到的知识，会有更深刻的理解，并且还能学到一些原理中或课本上所没有的知识。

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附录 参考文献

[1] 计算机组成原理简明教程 清华大学出版社

[2] 计算机组成原理 科学出版社 白中英 主编 [3] 计算机组成与系统结构 电子工业出版社 胡越明 主编

[4] 计算机组成原理实验指导及习题解答 甘肃教育出版社 文哲蓉 苟平章

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设计过程中质疑（或答辩）记载： 指导教师评语： 评分： 签名：田小华 2013 年1月24日

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