《计算机组成课程设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成课程设计.pdf（15页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、计算机组成课程设计 Prepared on 22 November 2020计算机组成原理课程设计计算机组成原理课程设计目录目录1.1.第一部分第一部分复杂模型计算机的设计任务复杂模型计算机的设计任务33设计目的设计目的3 3设计任务设计任务3 3设计指标设计指标3 3实验类型实验类型3 3实验设备实验设备3 32.2.第二部分第二部分模型计算机的总体设计模型计算机的总体设计4 4主要部件的工作原理主要部件的工作原理4 4微程序的设计微程序的设计5 5微地址转移逻辑的设计微地址转移逻辑的设计7 73.3.第三部分第三部分模型及的组装的调试模型及的组装的调试.9.9模型机的组装模型机的组装9 9
2、模型机的调试模型机的调试1010实验步骤实验步骤11114.4.第四部分第四部分附附录录1111八位数据原理总图八位数据原理总图1212微程序流程图微程序流程图1212微程序控制器原理图微程序控制器原理图1313微程序代码表微程序代码表(十六位十六位)1414机器码汇机器码汇1717编程序编程序18185.5.第五部分第五部分小小结结1818第一部分第一部分复杂模型计算机的设计任务复杂模型计算机的设计任务一、一、设计目的：设计目的：建立清晰完整的整机概念；建立清晰完整的整机概念；学习设计与调试计算机的基本方法与步骤；学习设计与调试计算机的基本方法与步骤；培养严谨的科研风格与独立的工作能力。培养
3、严谨的科研风格与独立的工作能力。二、二、设计任务：设计任务：综合运用所学计算机原理知识，按给定的指令系统综合运用所学计算机原理知识，按给定的指令系统和数据格式，在所提供设备的范围内，设计一台字和数据格式，在所提供设备的范围内，设计一台字长八位的由微程序控制的模型计算机。设计并实现长八位的由微程序控制的模型计算机。设计并实现较为完整的八位模型计算机。较为完整的八位模型计算机。设计微程序控制器的逻辑原理电路图；设计微程序控制器的逻辑原理电路图；设计微地址转移的逻辑电路图；设计微地址转移的逻辑电路图；设计说明书。设计说明书。三、三、设计指标：设计指标：字长八位；字长八位；时钟源时钟源 MF=QB=1
4、MF=QB=1s;s;内存容量不得小于内存容量不得小于 2828；指令系统不得小于十四条。要求算术逻辑指令七指令系统不得小于十四条。要求算术逻辑指令七条，访问内存和程序控制指令四条、输入输出指令条，访问内存和程序控制指令四条、输入输出指令两条、其他指令一条。两条、其他指令一条。四、四、实验类型：设计型实验实验类型：设计型实验五、五、实验设备：实验设备：CM+CM+试验仪一台；试验仪一台；双总示波器一台；双总示波器一台；集成电路芯片及排线若干。集成电路芯片及排线若干。第二部分第二部分模型计算机的总体设计模型计算机的总体设计总体设计的主要任务是根据设计要求选出所需要的主要总体设计的主要任务是根据设
5、计要求选出所需要的主要器件，计算机的工作过程实质是不同的数据流在控制信号器件，计算机的工作过程实质是不同的数据流在控制信号的作用下，在限定的数据通道中进行传送。数据通路的不的作用下，在限定的数据通道中进行传送。数据通路的不同指令所通过的操作过程也不同，机器结构也各不相同。同指令所通过的操作过程也不同，机器结构也各不相同。因此对数据通道的设计及其应用也是非常重要的。总体设因此对数据通道的设计及其应用也是非常重要的。总体设计的原则是性价比好，尽量使用大规模的集成电路器件，计的原则是性价比好，尽量使用大规模的集成电路器件，以便大大减少接线的工作量。以便大大减少接线的工作量。一、一、主要部件的工作原理
6、：主要部件的工作原理：通常把许多寄存器之间传送信息的通道称为“数据通通常把许多寄存器之间传送信息的通道称为“数据通路”。信息从什么地方开始，中间进过哪些寄存器，路”。信息从什么地方开始，中间进过哪些寄存器，最后传到哪个寄存器，都要加以控制。这些工作是由最后传到哪个寄存器，都要加以控制。这些工作是由称为“操作控制器”的不见来完成的。对数据通路和称为“操作控制器”的不见来完成的。对数据通路和时序部分，直接使用时序部分，直接使用 CM+CM+实验仪器的现成电路。这次实验仪器的现成电路。这次设计主要是微程序控制部分。对一台数字计算机基本设计主要是微程序控制部分。对一台数字计算机基本可分为两部分，即控制
7、部件和执行部件。微程序控制可分为两部分，即控制部件和执行部件。微程序控制器就是控制部件，而其他设备相对来讲则是执行部器就是控制部件，而其他设备相对来讲则是执行部件。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命件。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令并且通过反馈线向控制部件反馈情况，以便使用控令并且通过反馈线向控制部件反馈情况，以便使用控制部件根据执行部件的状态发出新的命令，保证机器制部件根据执行部件的状态发出新的命令，保证机器正常运行。正常运行。微程序控制器的基本思想，就是仿照通常的解题方微程序控制器的基本思想，就是仿照通常的解题方法，把操作控制信号编成为指令，存放在法，把操作控制信号编
8、成为指令，存放在 E2PROME2PROM 中，中，当机器运行时，一条一条的读出这些微指令，从而产当机器运行时，一条一条的读出这些微指令，从而产生全机所需的各种操作控制信号，是相应部分执行所生全机所需的各种操作控制信号，是相应部分执行所规定的操作。规定的操作。二、二、微程序的设计：微程序的设计：将机器的全部指令系统采用微指令实现的过程，叫做将机器的全部指令系统采用微指令实现的过程，叫做微程序设计。一条机器指令对应一条微指令，本模型微程序设计。一条机器指令对应一条微指令，本模型机要求至少机要求至少 1414 条机器指令应对应条机器指令应对应 1414 条微程序。微程条微程序。微程序是由微指令解释
9、执行的。一条机器指令对应一个指序是由微指令解释执行的。一条机器指令对应一个指令周期。而一条伪指令对应一个令周期。而一条伪指令对应一个 CPUCPU 周期。微程序的周期。微程序的设计包括横向设计和纵向设计。横向设计指的是正确设计包括横向设计和纵向设计。横向设计指的是正确的选择数据通路。保证一条微指令在一个的选择数据通路。保证一条微指令在一个 CPUCPU 内完成内完成而不发生数据冲突，纵向设计指的是正确的确定后继而不发生数据冲突，纵向设计指的是正确的确定后继地址。地址。横向设计：横向设计：由于指令功能不一样，有的简单，有的复杂，一次由于指令功能不一样，有的简单，有的复杂，一次他们的指令周期也不一
10、样，但他们都是由取指令周期他们的指令周期也不一样，但他们都是由取指令周期和执行周期完成。取指周期包括把地址寄存器中的地和执行周期完成。取指周期包括把地址寄存器中的地址送到地址总线上，从内存中读取一条指令，打入指址送到地址总线上，从内存中读取一条指令，打入指令寄存器中，然后地址寄存器中的地址加一。执行周令寄存器中，然后地址寄存器中的地址加一。执行周期：对于访内指令，由于寻址模式不同，因此执行周期：对于访内指令，由于寻址模式不同，因此执行周期也不一样。直接寻址只要两个期也不一样。直接寻址只要两个 cpucpu 周期，间接寻址周期，间接寻址需要三个需要三个 cpucpu 周期，周期，R2R2 变址和
11、相对寻址则需要四个变址和相对寻址则需要四个cpucpu 周期。在算术逻辑指令中，传送指令比较简单，周期。在算术逻辑指令中，传送指令比较简单，只需要一个只需要一个 cpucpu 周期，其他指令要长一些。周期，其他指令要长一些。纵向设计：纵向设计：由于该设计的后继地址采用判定方式，其通常做法由于该设计的后继地址采用判定方式，其通常做法是首先确定微程序分支处的微地址，因为这些分支处是首先确定微程序分支处的微地址，因为这些分支处需要判别测试。然后再确定其他地址。需要判别测试。然后再确定其他地址。为了向为了向 RAMRAM 装入程序和数据，检查写入是否正确，装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序
12、执行，还必须设计三个控制台操作的为并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作的为程序。程序。存储器读操作（存储器读操作（KRDKRD）：波动总线开关）：波动总线开关 CLRCLR 后，当控后，当控制台开关制台开关 SWBSWB、SWASWA 置为“置为“0000”时，按”时，按 STARTSTART 微动开关微动开关,可对可对 RAMRAM 进行连续手动读出。进行连续手动读出。存储器写操作（存储器写操作（KWEKWE）:波动总线开关波动总线开关 CLRCLR 后，当控后，当控制台开关制台开关 SWBSWB、SWASWA 置为”置为”0101”时，按”时，按 STARTSTART 微动开微动开关
13、，可对关，可对 RAMRAM 进行连续写入。进行连续写入。启动程序：波动总线开关启动程序：波动总线开关CLRCLR 后，当控制台开关后，当控制台开关SWBSWB、SWASWA 置为”置为”1111”时，按”时，按 STARTSTART 微动开关，即可转微动开关，即可转入到第入到第 1313、0101 号微地址“取指”指令，启动程序运号微地址“取指”指令，启动程序运行。行。控制台指令的开关状态控制台指令的开关状态 SWBSWB、SWASWA 的状态设置：的状态设置：SWBSWB0 00 01 10 01 11 1SWASWA控制台指令控制台指令读内存读内存(KRD)(KRD)写内存写内存(KWE
14、)(KWE)启动程序启动程序(RP)(RP)根根 据据 以以 上上 要要 求求 设设 计计 数数 据据 通通 路路 框框 图图，如如 下下 所所 示示：图图 1 1模型及数据通路总框图模型及数据通路总框图三、三、微地址转移逻辑的设计：微地址转移逻辑的设计：微地址转移逻辑的设计：微地址微地址转移逻辑的设计：微地址 6 6 位，用三片双位，用三片双 D D 正正沿触发器（沿触发器（74LS7474LS74）组成，并带有预置端和清零端，）组成，并带有预置端和清零端，在不判别测试情况下，微地址寄存器的内容为下条微在不判别测试情况下，微地址寄存器的内容为下条微指令的地址。执行的功能：指令的地址。执行的功
15、能：测试字段测试字段P(1)P(1)P(2)P(2)P(3)P(3)P(4)P(4)功能功能用指令寄存器中的用指令寄存器中的 IR7-IR4IR7-IR4 取代微地址的低四取代微地址的低四位位当当 P(2)=1P(2)=1 用用 IR3IR3，IR4IR4 取代原微地址的第一位取代原微地址的第一位和第零位和第零位当当 P(3)=1P(3)=1 时用时用 FCFC 或或 FZFZ 取代原微地址第四位取代原微地址第四位若若 CVE=1CVE=1 则将第则将第 0 0 位置位置 1 1，第一位置，第一位置 0 0，即转，即转入公操作入公操作用用 SWA,SWBSWA,SWB，取代原微地址的第，取代原
16、微地址的第 1 1 位，第位，第 0 0 位位微程序控制器的设计：微程序控制器的设计：本模型机微指令字长本模型机微指令字长 2424，采用三片，采用三片 E2PROME2PROM（28162816）并联，从而使伪指令寄存器的长度亦为并联，从而使伪指令寄存器的长度亦为2424 位，微指位，微指令寄存器由两片令寄存器由两片 74LS27374LS273 和一片和一片 74LS17574LS175 构成，用来构成，用来暂存暂存 1818 位微指令，而微地址寄存器用位微指令，而微地址寄存器用74LS17574LS175 构构成，用来暂存成，用来暂存 6 6 位微地址，当地址出线在位微地址，当地址出线在
17、 E2PROME2PROM 地地址线上时，只要址线上时，只要 CECE 有效，那么就将地址所示的内容有效，那么就将地址所示的内容在在 T2T2 的的上上升升沿沿读读入入微微指指令令寄寄存存器器，如如下下图图示示：E2PROME2PROM 控制储存器，用来存放实现全部指令系统的所控制储存器，用来存放实现全部指令系统的所有为程序，它是一种制度储存器，一旦程序固化，机有为程序，它是一种制度储存器，一旦程序固化，机器运行是只读不写。其工作过程是读出一条指令执行器运行是只读不写。其工作过程是读出一条指令执行一条指令：接着读出下一条指令，微命令寄存器存放一条指令：接着读出下一条指令，微命令寄存器存放当前执
18、行指令的微命令，通过这些微命令亦控制全机当前执行指令的微命令，通过这些微命令亦控制全机的正常运行，转移逻辑用来修改微地址。根据控制器的正常运行，转移逻辑用来修改微地址。根据控制器要要求求所所产产生生如如下下图图的的微微程程序序控控制制逻逻辑辑电电路路图图：第三部分第三部分 模型及的组装的调试模型及的组装的调试一、一、模模型机的组装：型机的组装：时序发生器、运算器、存储器、系统总线时序发生器、运算器、存储器、系统总线微程序控制器电路：微程序控制器电路：这部分的连接是本次试验的核心。根据设计的这部分的连接是本次试验的核心。根据设计的为程序图纸和实验以上插座的引脚情况，布局为程序图纸和实验以上插座的
19、引脚情况，布局好各个器件，然后列出整个电路的接线表，按好各个器件，然后列出整个电路的接线表，按照此接线表在通用的组件安装板上进行连接。照此接线表在通用的组件安装板上进行连接。.器件安排：器件安排的原则是尽可能的按其器件安排：器件安排的原则是尽可能的按其功能相对紧密的电路器件安排要相对集中，这功能相对紧密的电路器件安排要相对集中，这样是各个器件的连线较短，同样也便于组装和样是各个器件的连线较短，同样也便于组装和调试。调试。.连线：规整布线，不仅对调试维护带来方连线：规整布线，不仅对调试维护带来方便，也可以保证可靠性。布线采用规整布线便，也可以保证可靠性。布线采用规整布线法。这样尽管试验仪上拉线很
20、多，也不至于显法。这样尽管试验仪上拉线很多，也不至于显得太乱，整个连线接好后，再仔细检查一遍，得太乱，整个连线接好后，再仔细检查一遍，确认接线无错误，然后打开电源进行调试。确认接线无错误，然后打开电源进行调试。二、二、模模型机的调试：调试分为分调和总调两部分型机的调试：调试分为分调和总调两部分分调：按功能模块进行调试是实现总调的前提分调：按功能模块进行调试是实现总调的前提和基础，只有各个功能模块工作正常，才能保和基础，只有各个功能模块工作正常，才能保证全机的正确运行，分调的重点放在调试控制证全机的正确运行，分调的重点放在调试控制台和微程序控制部分，时序部分由于是由专用台和微程序控制部分，时序部
21、分由于是由专用实验板提供的，一般情况下都是正常的，为了实验板提供的，一般情况下都是正常的，为了加快调机进度可以先不调它，直接调试微程序加快调机进度可以先不调它，直接调试微程序控制器，如发现时序有问题时在来调试。控制器，如发现时序有问题时在来调试。微程序控制部分的调试任务：微程序控制部分的调试任务：.用单拍方式（一个用单拍方式（一个 CPUCPU 周期）检查控制台之周期）检查控制台之零度的指令是否正确，微地址是否正确。零度的指令是否正确，微地址是否正确。.用连续方式检查控制台指令读出的指令是否用连续方式检查控制台指令读出的指令是否正确。正确。总调：总调：分调成功后，便可开始总调，总调试首先用单分
22、调成功后，便可开始总调，总调试首先用单拍方式跑流程图。再用单拍指令方式执行各条拍方式跑流程图。再用单拍指令方式执行各条指令，观察执行结果是否正确。指令，观察执行结果是否正确。编写一段演示程序是否正确编写一段演示程序是否正确.(.(见附录见附录)以上结果都正常，证明这次设计成功。以上结果都正常，证明这次设计成功。三、三、实实验步骤：验步骤：按设计的图连接实验电路，仔细检查线无误后按设计的图连接实验电路，仔细检查线无误后接通电源。接通电源。写微程序。写微程序。运行程序：运行程序：.单步运行程序：单步运行程序：a.a.使编程开关处于“使编程开关处于“RUNRUN”状态：“”状态：“STEPSTEP”
23、为”为“STEPSTEP”状态，“”状态，“STOPSTOP”为“”为“RUNRUN”状态。”状态。b.b.拨动总清开关拨动总清开关CLR(0-1-0),CLR(0-1-0),微地址清零，程微地址清零，程序计数器清零，程序首地址为序计数器清零，程序首地址为 00H.00H.c.c.单步运行一条微程序，每按动一次单步运行一条微程序，每按动一次STARTSTART，即单步运行一条微指令。对赵薇程序流程即单步运行一条微指令。对赵薇程序流程图，观察微地址显示灯是否与流程一致。图，观察微地址显示灯是否与流程一致。.连续运行程序：连续运行程序：a.a.“STATESTATE UNITUNIT”中中 的的“
24、STEPSTEP”开开 关关 置置 为为“ECEXECEX”状态。“”状态。“STOPSTOP”开关置为“”开关置为“RUNRUN”状”状态。态。b.b.拨动总清开关拨动总清开关 CLRCLR，清微地址及程序计数器，清微地址及程序计数器，然后按动然后按动 STARTSTART，系统连续运行程序，稍后将，系统连续运行程序，稍后将STOPSTOP 拨至”拨至”STOPSTOP”时，系统停机。”时，系统停机。第四部分第四部分附录附录一、八位数据原理总图：一、八位数据原理总图：AUJ3AREXT BUSB7 .B0ALU-BCN.4B7.B074LS245.A0CYCNEXT BUSAD7.AD0A7
25、数据显示灯S3S2S1S0MQ7.Q4 Q3.Q0Q7.Q4 Q3.Q0CN.4F3.F0F0.F3CNBUS UNITD7D0ALU(181)CNMA3.A0B0.B0CN.4 ALU(181)M A3.A0 B0.B0AD7.地.址.灯AD0LDART3ANDAR(273)ADJ6DR1(273)D7D0DR2(273)D7D0LDDR1T4LDDR2T4PC-B三态门(245)LOADR1-BRJ1R2-BR0-B PC(161)LDPCT4AND PC(161)LDR2LDR1Q7LDR0D7T4Q0Q7D7Q0Q7D7Q0R0(374)D0R1(374)D0R2(374)D0LDIR
26、T3I7 I0IR(273)附录一 8位数据原理总图控制台SWITCH UNITCLR二、微程序流程图：二、微程序流程图：三、微程序控制器原理图：三、微程序控制器原理图：四、微程序代码表四、微程序代码表(二十四位二十四位)五、机器码（十六进制）五、机器码（十六进制）六、六、程序程序机器指令机器指令第五部分第五部分 小结小结本次试验结合了计算机组成原理，汇编语言等很多知本次试验结合了计算机组成原理，汇编语言等很多知识，以及必要的动手能力。在在这次试验中，我意识到，识，以及必要的动手能力。在在这次试验中，我意识到，要实现自己的一个想法在计算机上还是能实现的，关键是要实现自己的一个想法在计算机上还是能实现的，关键是要能动脑思考，把所学的东西融会贯通。在不懂的地方要要能动脑思考，把所学的东西融会贯通。在不懂的地方要勤问老师同学，这样才能不断的进步。虽然这次只是一个勤问老师同学，这样才能不断的进步。虽然这次只是一个很小的练习，但它让我知道了计算机并不是那么的神秘，很小的练习，但它让我知道了计算机并不是那么的神秘，我也能亲自动手来“造“了。我也能亲自动手来“造“了。最后非常感谢老师的指导以及那些在我遇到困难时帮最后非常感谢老师的指导以及那些在我遇到困难时帮助我的同学。我相信在以后的学习中这次试验一定会成为助我的同学。我相信在以后的学习中这次试验一定会成为我走向成功基石。我走向成功基石。