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1、计算机组成原理计算机组成原理组成原理课程设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望计算机组成原理计算机组成原理课程设计目的课程设计目的 加深对冯诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能加深对冯诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能的理解进一步建立整机的概念。的理解进一步建立整机的概念。加深对计算机数据通路的理解、加深对计算机指令系加深对计算机数据通路的理解、加深对计算机指令系统、微指令的认识，并通过时序控制，完整地设计一个统、微指令的认识，并通过时序控制
2、，完整地设计一个简单的计算机系统。简单的计算机系统。锻炼学生初步的计算机系统分析和设计能力。锻炼学生初步的计算机系统分析和设计能力。锻炼学生分析、定位和排除故障的能力。锻炼学生分析、定位和排除故障的能力。计算机组成原理计算机组成原理课程设计要求课程设计要求 利用各单元实验和课堂上所学知识，利用各单元实验和课堂上所学知识，选择适当的芯片选择适当的芯片，设计简单的计算机系统设计简单的计算机系统.在完成数据通路设计并验证数据通路功能的基础上增加在完成数据通路设计并验证数据通路功能的基础上增加指令和微指令控制的功能指令和微指令控制的功能以自己所设计的计算机系统为硬件环境，设计出各指令以自己所设计的计算
3、机系统为硬件环境，设计出各指令周期流程图，并设计出相应的微命令。周期流程图，并设计出相应的微命令。以手动方式产生各指令执行过程中所需要的微命令以手动方式产生各指令执行过程中所需要的微命令,控制控制指令的执行。指令的执行。设计控存，并将各指令的微程序存放在设计控存，并将各指令的微程序存放在CM中，经过适当中，经过适当的时序控制，通过微程序自动控制指令的执行。的时序控制，通过微程序自动控制指令的执行。计算机组成原理计算机组成原理课程设计任务课程设计任务根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案画出自己所设计计算机系统的画出自己所设计计算机系统的原理框图原理框图
4、和和器件连接图器件连接图，分析器件连接图中各器件不同引脚的功能，哪些可以固分析器件连接图中各器件不同引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序来控制，以及这些控制信定连接，哪些需要通过微程序来控制，以及这些控制信号的有效形式。号的有效形式。画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号设计出实现指令功能的微程序设计出实现指令功能的微程序布线、调试、验收布线、调试、验收课程设计报告和总结课程设计报告和总结(!)计算机组成原理计算机组成原理确定确定 设计的总体要求设计的总体要求设计主机的逻辑框图设计主机的逻辑框图设计指令系统设计指令系统画出指令周期流
5、程图及逻辑控制信号画出指令周期流程图及逻辑控制信号选择适当的芯片实现逻辑框图中的功能模块选择适当的芯片实现逻辑框图中的功能模块将指令周期流程图中的逻辑控制信号具体化将指令周期流程图中的逻辑控制信号具体化连线、调试连线、调试优化控制信号并设计微程序优化控制信号并设计微程序实现实现组成组成计算机组成原理计算机组成原理一、相关的基础理论一、相关的基础理论1、CPU的功能与组成的功能与组成a)CPU的四项功能b)完成功能需要的基本结构c)重要的寄存器PC、IR、AR、AC、DR计算机组成原理计算机组成原理2、控制器组成与指令周期流程图、控制器组成与指令周期流程图不同的通路结构不同的通路结构,流程不尽相
6、同流程不尽相同 不同的器件不同的器件,控制信号的形式不尽相同控制信号的形式不尽相同计算机组成原理计算机组成原理、指令和微指令的格式、指令和微指令的格式操作码操作码(OP)地址码字段地址码字段(A)指令长度、位数、的位数及支持的寻址方式指令长度、位数、的位数及支持的寻址方式微指令的长度、控制字段位数、顺序控制字段的设置微指令的长度、控制字段位数、顺序控制字段的设置计算机组成原理计算机组成原理4、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程LAD R0，（，（80)ADD R0, (81)JO 75STA (R1), R0000000000000101
7、010101110 10 0000000000010010000001101110 00 0000100100000000000000000000 00 0011000010110000000001101110 00 0100000000000010010000000000 00 0000000000000000000101000000 01 0000000000000000000000000000 00 0111000000000000000000000000 00 000000000001001000110100010101100111 计算机组成原理计算机组成原理微程序存放示意图下址字段
8、地址1000XXXX0111XXXX0110XXXX0101XXXX0100XXXX0011XXXX0010XXXX0001XXXX0000操作控制字段HALT64STA (R1) ，R063JO 7562ADD R0，(81)61LAD R0，(80)60控制存储器CS取指微指令加法微程序取数微程序存数微程序转移微程序0000000001100000000000110010主存储计算机组成原理计算机组成原理(1)硬布线控制器的时序体制硬布线控制器的时序体制 主状态周期主状态周期-节拍电位节拍电位-节拍脉冲节拍脉冲 三级体制三级体制指令周期指令周期CPU周期周期时钟周期时钟周期本实验台上有时钟
9、周期本实验台上有时钟周期T1-T5,T1-T5,需要自己产生需要自己产生CPUCPU周期周期5、采用硬连布线设计控制器的方法、采用硬连布线设计控制器的方法计算机组成原理计算机组成原理DRBUS BUSbus LDR0PC+1RDLDDR IRBUS,LDARPCBUS , LDARRD ,LDDRDRBUS,LDIRDRBUS = M1T4+LAD M2 T3 + ADDM3T3(2)硬连布线设计控制器的方法硬连布线设计控制器的方法计算机组成原理计算机组成原理产生产生DRBUS微命令信号的电路微命令信号的电路表达式：表达式： DRBUS = M1T4+LAD M2 T3 + ADDM3T3 L
10、AD 1 & & & 指指令令 译译 码码 器器 ADD DRBUS M1 M2 M3 M4 T1 T2 T3 T4 时时序序产产生生器器 ADD 10机器周期（取指令）指令周期机器周期（执行指令）T1T2T3T4(PC)IR(10)+AC ACData Path(PC)AR MEMDR DRIRIR(A)AR MEMDR 取操作数 DR+ACAC 运算Control SignalPCout,LDAR, RD, LDDR,LDIR,PC+IRout, LDAR, RD, LDDR, + , ALUoutT1T2T3T4微指令周期微指令周期取微指令执行微指令取微指令执行微指令PC=0000PC取
11、决于IR(OP)PC取决于IR下址字段或PC+ 访问控存(读)访问控存(读)PC如何取值初始值0000 取指令微指令根据IR(OP)进行转移PC+ 或者下址字段什么时间选择什么值？主存控存共用的问题访存冲突必须分时使用主存地址4个来源 PC、0000、PC、IR(A) 如何分时使用取指令微指令完成取指令第一条微指令如何取出固定时序电路完成上电就开始取微指令T4下跳沿访问主存(读/写)访问主存(读)计算机组成原理计算机组成原理6、细节处理及选择合适的芯片、细节处理及选择合适的芯片微地址寄存器的值可能来微地址寄存器的值可能来自于三处自于三处:指令的指令的OP0地址地址(取微指令取微指令)微指令的地
12、址字段微指令的地址字段计算机组成原理计算机组成原理DR的值可能来源于的值可能来源于:AC主存主存IR的形式地址部分的形式地址部分(与寻址方式有关与寻址方式有关)DR的作用的作用CPU和主存之间信息传送的中转站和主存之间信息传送的中转站补偿补偿CPU和主存之间的速度差异和主存之间的速度差异单累加器结构的运算器中作为操作数单累加器结构的运算器中作为操作数寄存器寄存器计算机组成原理计算机组成原理DRIRACDBUS共享总线的处理共享总线的处理计算机组成原理计算机组成原理数据冲突的处理数据冲突的处理 除图示的情况外除图示的情况外, ,在课程在课程设计过程中还有很多地方设计过程中还有很多地方存在可能数据
13、冲突存在可能数据冲突, ,需要需要特殊处理特殊处理相应器件输出相应器件输出带三态并进行有效控制带三态并进行有效控制计算机组成原理计算机组成原理数据被多次累加的现象数据被多次累加的现象输出与输入之间控制不当导致输出与输入之间控制不当导致计算机组成原理计算机组成原理隐藏的故障分析与处理隐藏的故障分析与处理LED显示不正常要将分析的范围放大一些要将分析的范围放大一些,建议建议采取模块化设计和模块化隔离采取模块化设计和模块化隔离方法定位故障方法定位故障计算机组成原理计算机组成原理二、实验所使用的基本芯片二、实验所使用的基本芯片74LS18174LS373 八D触发器2816 E2PROM存储器(281
14、6 2K8 )74LS395 四位寄存器74LS157二选一数据选择器74LS244 八三态输出缓冲器74LS161四位计数器74LS74，双D触发器若干基本的门电路计算机组成原理计算机组成原理1G1A121Y118A241Y216A361Y314A481Y4122G19B1112Y19B2132Y27B3152Y35B4172Y4374LS24474LS244引脚封装图引脚封装图8D锁存锁存器器，具有三态驱动输出，具有三态驱动输出 三态输出的八三态输出的八缓冲器缓冲器 74LS373引脚封装图引脚封装图注意注意244与与373的不同的不同,凡是能用凡是能用244的地方也可以用的地方也可以用3
15、73，反过来则不一定能互换，需具体分析反过来则不一定能互换，需具体分析计算机组成原理计算机组成原理1.CP：脉冲输入端：脉冲输入端 (上升沿触发上升沿触发）2.QD、QC、QB、QA：计数输出：计数输出3.RD：异步复位端（：异步复位端（低电平有效低电平有效）4.LD：同步置数端（：同步置数端（低电平有效低电平有效）5.DCBA: 预置数输入端预置数输入端 5.EP、ET：计数使能端（：计数使能端（高电平有效高电平有效）6.RCO：进位输出端（：进位输出端（高电平有效高电平有效）74161逻辑图逻辑图计算机组成原理计算机组成原理74LS157四二选一数据选择引脚封装图四二选一数据选择引脚封装图
16、E S A B YH X X X LL 0 A B AL 1 A B B计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理多余的地址线一定不能不接多余的地址线一定不能不接!连接地址的导线一定不连接地址的导线一定不能断能断!连接地址的源点信号的逻辑电平一定要正确连接地址的源点信号的逻辑电平一定要正确!计算机组成原理计算机组成原理74LS74双双D触发器触发器计算机组成原理计算机组成原理三、调试建议三、调试建议 分布调试分布调试 遇到故障要仔细分析，不要急于把所有的导线都拆除并重连遇到故障要仔细分析，不要急于把所有的导线都拆除并重连接，要仔细分析故障的原因并排除，否则故障将重现。接，要仔细分
17、析故障的原因并排除，否则故障将重现。计算机组成原理计算机组成原理四、实验台布局四、实验台布局计算机组成原理计算机组成原理特别强调特别强调:1、不能带电插拔导线！、不能带电插拔导线！2、整个实验过程中不能插拔下载电缆！、整个实验过程中不能插拔下载电缆！3、不能插拔其它实验台上的、不能插拔其它实验台上的FPGA芯片！芯片！计算机组成原理计算机组成原理五、时间安排五、时间安排第一周周一：第一周周一： 布置任务和集中讲解布置任务和集中讲解第一周周二：学生自己设计第一周周二：学生自己设计,选择并熟悉自己所要的芯片选择并熟悉自己所要的芯片周三上午周三上午 ：领取导线和芯片：领取导线和芯片,进行进行芯片功能
18、测试芯片功能测试，在此基础，在此基础 上修改和完善原设计方案。上修改和完善原设计方案。剩余时间剩余时间 ：实验室调试调试、验收：实验室调试调试、验收(期间根据实际期间根据实际 情况加开个晚班情况加开个晚班)计算机组成原理计算机组成原理六、注意事项六、注意事项、人一组，各组独立完成、原则上分组不能跨班人一组，各组独立完成、原则上分组不能跨班、设计出基本功能后可根据实际情况进行适当的扩充设计出基本功能后可根据实际情况进行适当的扩充、爱护实验设备，不随意拔插与自己的方案无关的芯爱护实验设备，不随意拔插与自己的方案无关的芯 片，以免影响实验台的功能片，以免影响实验台的功能、保持良好的秩序保持良好的秩序、设计报告于设计完成后设计报告于设计完成后4周内以班级为单位统一周内以班级为单位统一计算机组成原理计算机组成原理课程设计任务n根据课程设计要求，制定出设计方案、n画出所设计的计算机系统的原理框图和具体接线图，选定适合的器件以实现相应的逻辑功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序控制，以及这些控制信号的有效形式。n画出各指令的指令周期流程图，和所需要的控制信号。设计出实现指令功能的微程序。n布线/调试/验收n写出课程设计报告，画出正确的实验电路图，并总结所设计电路的特点，提出改进意见。n对整个课程设计的过程给予一个评价。