郑州轻工业学院本科 计算机组成原理课程设计 课题名称:基本模型机的设计与实现 系别:计算机与通信工程学院 专业:计算机科学与技术 班级:04级1班学号:26号姓名:刘洋 2006年12月21日 郑州轻工业学院 课程设计任务书题目 基本模型机的设计与实现 专业、班级 计算机04-1班 学号 26号 姓名 刘洋 主要内容、基本要求、主要参考资料等: 主要内容: 设计一个较为完整的计算机、并编写一些简单的指令 基本要求: 设计器材: Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台,实验用扁平线、导线若干. 设计目的: ⒈ 在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机. ⒉ 为其定义5条机器指令,并编写相应的微程序,上机调试掌握整机概念. 实现较为完整的计算机、并编写一些简单的指令. 设计目标: 本次设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号,实现特定指令的功能.在该试验中采用五条机器指令:IN(输入)、SUB(二进制减法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),整体实现二进制数连续相减的功能.上机调试实现这五种指令功能. 主要参考资料: 启东达爱思计算机有限公司.计算机组成原理试验指导书 2. 白中英.计算机组成原理.北京:科学出版社. 完成期限: 一周 指导教师签名: 课程负责人签名: 年月日一.课程设计题目: 基本模型机的设计与实现 二、课程设计设备: Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台,实验用扁平线、导线若干. 三、设计目的: ⒈ 在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机. ⒉ 为其定义5条机器指令,并编写相应的微程序,上机调试掌握整机概念. 四、设计原理: 部件设计过程中,各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主,而本次设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号,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. 本设计采用五条机器指令:IN(输入)、SUB(二进制减法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),其指令格式如下(前三位为操作码): 助记符 机器指令码 说明 IN R0,SW 0010 0000 数据开关状态→R0 SUB R0,[addr] 0100 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0 STA [addr],R0 0110 0000 XXXXXXXX R0→[addr] OUT [addr],LED 1000 0000 XXXXXXXX [addr]→LED JMP addr 1010 0000 XXXXXXXX addr→PC 其中IN为单字节(8位),其余为双字节指令,XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码. 根据以上要求设计数据通路框图,如图7-10-1所示.系统涉及到的微程序流程见图7-7-3,当拟定"取指"微指令时,该微指令的判别测试字段为P(1)测试.由于"取指"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3位(IR7~IR5)作为测试条件,出现8路分支,占用8个固定微地址单元. 当全部微程序设计完毕后,应将每条微指令代码化,表7-10-1即为将图7-10-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的"二进制微代码表". 下面是指令寄存器(IR):指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令.当执行一条指令时,先把它从内存取到数据总线上,然后再传送至指令寄存器.指令划分为操作码和地址码字段,由二进制数构成,为了执行任何给定的指令,必须对操作码进行测试P(1),通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作." 指令寄存器"根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址,使下一条微指令指向相应的微程序首地址. 本系统有两种外部I/O设备,一种是二进制代码开关,它作为输入设备(INPUT DEVICE);另一种是LED块,它作为输出设备(OUTPUT DEVICE).例如:输入时,二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上,只要开关状态不变,输入的信息也不变.输出时,将输出数据送到外部数据总线上,当LDED有效时,将数据打入输出锁存器,驱动LED显示. 图7-10-1 基本模型机数据通路框图 图7-7-3 微程序流程图 图7-10-2 基本模型机微程序流程图 按照系统建议的微指令格式,参照微指令流程图,将每条微指令代码化,译成二进制代码表,并将二进制代码表转换成十六进制格式文件. 表7-10-1 M25 M24 M23 M22 M21 中断 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 C B A AR 保留位 PX3 A9 A8 CE LOAD CN M S0 S1 S2 S3 PX2 LDAR M7 M6 M5 M4 M3 M2 8 7 6 5 4 3 M1 M0 LDPC LDIR LDDR2 LDDR1 LDR0 WE UA0 UA1 UA2 UA3 UA4 UA5 PX1 SW-B A字段 C B A 选择 0 0 0 禁止 0 0 1 PC-B 0 1 0 ALU-B 0 1 1 299-B 1 0 0 Rs-B 1 0 1 Rd-B 1 1 0 保留位 1 1 1 保留位 本设计的机器指令程序如下: 地址(二进制) 内容(二进制) 助记符 说明0000 0010 0000 IN R0,SW 数据开关内容→R0 0001 0100 0000 SUB R0,[10H] R0-[10H]→R0 0010 0001 0000 0011 0110 0000 STA [0BH],R0 R0→[0BH] 0100 0000 1011 0101 1000 0000 OUT [0BH],LED [0BH]→LED 0110 0000 1011 0111 1010 0000 JMP 01H 01H→PC 1000 0000 0000 1001 0001 0100 用户自定义 1010 1010 1010 用户自定义 1011 求差结果存放单元 将微代码流程图代码化,本设计给出的微程序二进制代码转化成十六进制格式文件.机器指令及微程序按照规定的格式编写成十六进制格式文件,程序清单如下: ;机器指令格式说明("P"代表机器指令): ; PXX XX ; 地址 机器代码 P00 20 ;IN R0,SW P01 40 10 ;SUB R0,[10H] P03 60 0B ;STA [0BH],R0 P05 80 0B ;OUT [0BH],LED P07 A0 01 ;JMP 01H P10 14 P0A AA ;32位微控制代码说明("M"代表微指令): ; MXX XX XX XX XX ; 微地址 32位微指令代码 M00 00 00 00 80 ;空操作 M01 20 00 60 40 ;PC→AR,PC+1 M02 00 80 10 12 ;RAM→IR M03 00 80 40 20 ;RAM→AR M04 00 80 08 A0 ;RAM→DR2 M05 80 00 04 60 ;R0→DR1 M06 40 26 02 80 ;DR1-DR2→R0 M07 00 80 40 68 ;RAM→AR M08 00 00 00 80 ;用户自定义单元 M09 00 00 02 81 ;SW→R0 M0A 20 00 60 C0 ;PC→AR,PC+1 M0B 20 00 60 E0 ;PC→AR,PC+1 M0C 20 00 60 C8 ;PC→AR,PC+1 M0D 20 00 60 A8 ;PC→AR,PC+1 M0E 20 00 60 E8 ;PC→AR,PC+1 M0F 20 00 60 98 ;PC→AR,PC+1 M10 00 40 20 89 ;SW→PC M11 20 00 60 48 ;PC→AR,PC+1 M12 00 80 01 89 ;SW→RAM M13 00 80 40 28 ;RAM→AR M14 03 80 00 80 ;RAM→LED M15 00 C0 20 80 ;RAM→PC M16 80 80 01 80 ;R0→RAM 五、设计方法 (一)设计连线 图7-10-3 设计连线示意图 按图7-10-3所示,将所有以黑色箭头提示的插孔或接口用双头实验导线或扁平线连接. (二)单机调试 ⑴ 机器程序和与其对应的微控制程序的写入: 用【装载】命令键快速准确装入微控制程序,其操作方法是在闪动的"P."下,键入数字键"1"(基本模型机代号),然后再键入【装载】命令键,实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及与其对应的微控制程序,装载完毕自动返"P."待令. ⑵ 运行程序 ① 单步微指令 键入数字键00(PC地址从00H开始),然后每按动一次【单步】命令键,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.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 单步机器指令 键入数字键 00H(PC地址),然后每按动一次【宏单】命令键,运行一条机器指令.对照机器指令程序,观察微地址显示灯是否和流程一致. ③ 程序运行与暂停 键入数字键 00H(PC地址),然后按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态;在实时运行状态可按【宏单】(暂停)命令键暂停模型机程序的运行,以便实验者查看模型机现场. (三)联机设计 若在联机状态下,首先应打开mxj1.abs(模型机㈠机器指令及对应微指令代码文件),然后点击"装载"图标开始装载,一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表示代码及微代码已下载成功,便可进入在线集成调试环境.然后点击工具栏"微单步"单步运行微指令、"程单步"单步运行程序指令、"连续"按钮连续运行微控制程序,单击"暂停"按钮暂停. 课程设计总结: 通过对计算机的组织与结构的分析,学会了综合运用所学计算机原理知识,学会了设计并实现较为完整的计算机,即模型机.它可以完成一般计算机的最基础功能.并且,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.
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更新时间：2014-06-22
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郑州轻工业学院本科 计算机组成原理课程设计 课题名称:基本模型机的设计与实现 系别:计算机与通信工程学院 专业:计算机科学与技术 班级:04级1班学号:26号姓名:刘洋 2006年12月21日 郑州轻工业学院 课程设计任务书题目 基本模型机的设计与实现 专业、班级 计算机04-1班 学号 26号 姓名 刘洋 主要内容、基本要求、主要参考资料等: 主要内容: 设计一个较为完整的计算机、并编写一些简单的指令 基本要求: 设计器材: Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台,实验用扁平线、导线若干. 设计目的: ⒈ 在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机. ⒉ 为其定义5条机器指令,并编写相应的微程序,上机调试掌握整机概念. 实现较为完整的计算机、并编写一些简单的指令. 设计目标: 本次设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号,实现特定指令的功能.在该试验中采用五条机器指令:IN(输入)、SUB(二进制减法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),整体实现二进制数连续相减的功能.上机调试实现这五种指令功能. 主要参考资料: 启东达爱思计算机有限公司.计算机组成原理试验指导书 2. 白中英.计算机组成原理.北京:科学出版社. 完成期限: 一周 指导教师签名: 课程负责人签名: 年月日一.课程设计题目: 基本模型机的设计与实现 二、课程设计设备: Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台,实验用扁平线、导线若干. 三、设计目的: ⒈ 在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机. ⒉ 为其定义5条机器指令,并编写相应的微程序,上机调试掌握整机概念. 四、设计原理: 部件设计过程中,各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主,而本次设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号,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. 本设计采用五条机器指令:IN(输入)、SUB(二进制减法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),其指令格式如下(前三位为操作码): 助记符 机器指令码 说明 IN R0,SW 0010 0000 数据开关状态→R0 SUB R0,[addr] 0100 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0 STA [addr],R0 0110 0000 XXXXXXXX R0→[addr] OUT [addr],LED 1000 0000 XXXXXXXX [addr]→LED JMP addr 1010 0000 XXXXXXXX addr→PC 其中IN为单字节(8位),其余为双字节指令,XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码. 根据以上要求设计数据通路框图,如图7-10-1所示.系统涉及到的微程序流程见图7-7-3,当拟定"取指"微指令时,该微指令的判别测试字段为P(1)测试.由于"取指"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3位(IR7~IR5)作为测试条件,出现8路分支,占用8个固定微地址单元. 当全部微程序设计完毕后,应将每条微指令代码化,表7-10-1即为将图7-10-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的"二进制微代码表". 下面是指令寄存器(IR):指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令.当执行一条指令时,先把它从内存取到数据总线上,然后再传送至指令寄存器.指令划分为操作码和地址码字段,由二进制数构成,为了执行任何给定的指令,必须对操作码进行测试P(1),通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作." 指令寄存器"根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址,使下一条微指令指向相应的微程序首地址. 本系统有两种外部I/O设备,一种是二进制代码开关,它作为输入设备(INPUT DEVICE);另一种是LED块,它作为输出设备(OUTPUT DEVICE).例如:输入时,二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上,只要开关状态不变,输入的信息也不变.输出时,将输出数据送到外部数据总线上,当LDED有效时,将数据打入输出锁存器,驱动LED显示. 图7-10-1 基本模型机数据通路框图 图7-7-3 微程序流程图 图7-10-2 基本模型机微程序流程图 按照系统建议的微指令格式,参照微指令流程图,将每条微指令代码化,译成二进制代码表,并将二进制代码表转换成十六进制格式文件. 表7-10-1 M25 M24 M23 M22 M21 中断 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 C B A AR 保留位 PX3 A9 A8 CE LOAD CN M S0 S1 S2 S3 PX2 LDAR M7 M6 M5 M4 M3 M2 8 7 6 5 4 3 M1 M0 LDPC LDIR LDDR2 LDDR1 LDR0 WE UA0 UA1 UA2 UA3 UA4 UA5 PX1 SW-B A字段 C B A 选择 0 0 0 禁止 0 0 1 PC-B 0 1 0 ALU-B 0 1 1 299-B 1 0 0 Rs-B 1 0 1 Rd-B 1 1 0 保留位 1 1 1 保留位 本设计的机器指令程序如下: 地址(二进制) 内容(二进制) 助记符 说明0000 0010 0000 IN R0,SW 数据开关内容→R0 0001 0100 0000 SUB R0,[10H] R0-[10H]→R0 0010 0001 0000 0011 0110 0000 STA [0BH],R0 R0→[0BH] 0100 0000 1011 0101 1000 0000 OUT [0BH],LED [0BH]→LED 0110 0000 1011 0111 1010 0000 JMP 01H 01H→PC 1000 0000 0000 1001 0001 0100 用户自定义 1010 1010 1010 用户自定义 1011 求差结果存放单元 将微代码流程图代码化,本设计给出的微程序二进制代码转化成十六进制格式文件.机器指令及微程序按照规定的格式编写成十六进制格式文件,程序清单如下: ;机器指令格式说明("P"代表机器指令): ; PXX XX ; 地址 机器代码 P00 20 ;IN R0,SW P01 40 10 ;SUB R0,[10H] P03 60 0B ;STA [0BH],R0 P05 80 0B ;OUT [0BH],LED P07 A0 01 ;JMP 01H P10 14 P0A AA ;32位微控制代码说明("M"代表微指令): ; MXX XX XX XX XX ; 微地址 32位微指令代码 M00 00 00 00 80 ;空操作 M01 20 00 60 40 ;PC→AR,PC+1 M02 00 80 10 12 ;RAM→IR M03 00 80 40 20 ;RAM→AR M04 00 80 08 A0 ;RAM→DR2 M05 80 00 04 60 ;R0→DR1 M06 40 26 02 80 ;DR1-DR2→R0 M07 00 80 40 68 ;RAM→AR M08 00 00 00 80 ;用户自定义单元 M09 00 00 02 81 ;SW→R0 M0A 20 00 60 C0 ;PC→AR,PC+1 M0B 20 00 60 E0 ;PC→AR,PC+1 M0C 20 00 60 C8 ;PC→AR,PC+1 M0D 20 00 60 A8 ;PC→AR,PC+1 M0E 20 00 60 E8 ;PC→AR,PC+1 M0F 20 00 60 98 ;PC→AR,PC+1 M10 00 40 20 89 ;SW→PC M11 20 00 60 48 ;PC→AR,PC+1 M12 00 80 01 89 ;SW→RAM M13 00 80 40 28 ;RAM→AR M14 03 80 00 80 ;RAM→LED M15 00 C0 20 80 ;RAM→PC M16 80 80 01 80 ;R0→RAM 五、设计方法 (一)设计连线 图7-10-3 设计连线示意图 按图7-10-3所示,将所有以黑色箭头提示的插孔或接口用双头实验导线或扁平线连接. (二)单机调试 ⑴ 机器程序和与其对应的微控制程序的写入: 用【装载】命令键快速准确装入微控制程序,其操作方法是在闪动的"P."下,键入数字键"1"(基本模型机代号),然后再键入【装载】命令键,实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及与其对应的微控制程序,装载完毕自动返"P."待令. ⑵ 运行程序 ① 单步微指令 键入数字键00(PC地址从00H开始),然后每按动一次【单步】命令键,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.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 单步机器指令 键入数字键 00H(PC地址),然后每按动一次【宏单】命令键,运行一条机器指令.对照机器指令程序,观察微地址显示灯是否和流程一致. ③ 程序运行与暂停 键入数字键 00H(PC地址),然后按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态;在实时运行状态可按【宏单】(暂停)命令键暂停模型机程序的运行,以便实验者查看模型机现场. (三)联机设计 若在联机状态下,首先应打开mxj1.abs(模型机㈠机器指令及对应微指令代码文件),然后点击"装载"图标开始装载,一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表示代码及微代码已下载成功,便可进入在线集成调试环境.然后点击工具栏"微单步"单步运行微指令、"程单步"单步运行程序指令、"连续"按钮连续运行微控制程序,单击"暂停"按钮暂停. 课程设计总结: 通过对计算机的组织与结构的分析,学会了综合运用所学计算机原理知识,学会了设计并实现较为完整的计算机,即模型机.它可以完成一般计算机的最基础功能.并且,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.