1、计算机组成与系统结构课程设计报告报告题目： 复杂模型机系统设计与运行 作者所在系部： 计算机科学与工程 作者所在专业： 计算机科学与技术 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011.12.30 北华航天工业学院教务处制课程设计任务书北华航天工业学院课程设计报告课题名称 复杂模型机系统设计及与运行 完成时间 2011.12.30指导教师 职称 教 授 学生姓名 班 级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
2、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 10 条机器指令，实现具有计算四则运算及逻辑运算的功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的 CPU 技术。工作内容及时间进度安排总计 2 周：1.12 月 19 日：资料查阅、选题、系统总体设计2.12
3、月 20 日-12 月 23 日：熟悉开发环境和工具，模块设计、代码编制3.12 月 26 日30 日：系统调试与运行，成果验收4.12 月 30 日：上交设计报告课程设计成果1.课程设计硬件系统及配套软件2.课程设计报告书北华航天工业学院课程设计报告摘 要本实验利用 EL-JY-型计算机组成原理实验系统组建电路，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，并构造一个指令系统，编写机器指令实现不同的具体功能，如实现数据的输入、输出、加法、减法、移位、乘法以及赋值等运算的功能。关键词：微代码 机器指令 数据输入/输出 算术逻辑运算 北
4、华航天工业学院课程设计报告目 录第一章 绪论 .11.1 课程设计地点 11.2 课程设计目的 11.3 课程设计的意义 11.4 课程设计的主要内容和要求 11.5 课程设计的环境 1第二章 基础知识 .22.1 概述 .22.2 主要技术要点 .32.2.1 ALU 部件 32.2.2. 存储体 32.2.3 控制器 .3第三章 指令系统 .53.1 数据格式 .53.2 指令格式 .53.3 指令系统 .6第四章 微代码设计与实验 .84.1 微代码设计 84.2 实验微代码 10第五章 设计内容 .125.1 设计内容 125.2 程序代码 12第六章 系统实现 .136.1 硬件连线
5、图 .136.2 系统实现步骤 .136.3 测试用例 .16总 结 .19参考文献 .20北华航天工业学院课程设计报告1第一章 绪论1.1 课程设计地点图书馆 5 楼西侧软件工程实验室。1.2 课程设计目的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） 。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 课程设计的意义通过对复杂模型机组成的研究以及对微程序、微代码、机器指令的深入理解，进一步增强对计算机组成的学习，巩固以前所学知识，并对以后的学习打下
6、坚实的基础。1.4 课程设计的主要内容和要求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 10 条机器指令，
7、实现比较完整的模型机功能；（6）利用微程序控制器控制模型机运行，实现基于重叠和流水线技术的 CPU 技术。要求画出系统模块框图：按从上到下的设计方法，将整个设计依功能划分成若干模块；并确定各个模块的输出、输入端口及要完成的功能。检查模块逻辑功能是否正确； （7）在 EL-JY-型计算机组成原理实验系统上，编写机器指令，实现数据的输入,输出，移位以及加法等运算功能。1.5 课程设计的环境EL-JY-型计算机组成原理实验系统。北华航天工业学院课程设计报告2第二章 基础知识2.1 概述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
8、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。计算机硬件主要由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成。图 2.1 微处理器结构（1）运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，同时也是计算机内部数据信息的重要通路。运算器大体包括算术逻辑运算单元 ALU、通用寄存器组、专用寄存器以及附加的控制线路。（2）存储器是存放数据和程序的部件。计算机中的存储器按功能分为主存、辅
9、存和高速缓冲存储器 CACHE，由这 3 类存储器构成存储系统的层次结构。（3）控制器是计算机的核心部件，协调计算机系统的正常工作，主要包括指令寄存器、指令译码器和时序控制器等部件。（4）输入输出部件包括各类输入输出设备和相应的接口。2.2 主要技术要点 2.2.1 ALU 部件ALU 部件是一种能进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。它的基本逻辑结北华航天工业学院课程设计报告3构是先行进位加法器。74181 是国际流行的 4 位 ALU 中规模集成电路，能对两个 4 位二进制代码进行 16 种算术运算和 16 种逻辑运算，这两类运算由 M 信号选择。16 种运算又由 S3S2S1S0 四
10、位控制选择。用 Cn表示 ALU 的最低位进位输入，用 Cn+4 表示 ALU 的进位输出信号。2.2.2. 存储体静态 MOS 存储器芯片由存储体、地址译码和控制电路等部分组成。存储体是存储单元的集合。地址译码器把二进制表示的地址转换为译码输入线上的高电位，驱动相应的读写电路。控制器根据 CPU 给出的读或写命令，控制被选中的存储单元读出或写入。2.2.3 控制器CPU 的硬件完成的是读取指令，分析指令后产生相应的控制信号，用于指令的执行完成。对指令的读取和译码分析就是控制器的功能。控制器组成如下：（1）指令计数器：存放要执行的下一条指令的地址。（2）指令寄存器：存放现行指令。（3）指令译码
11、器：对指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号给操作信号形成部件。（4）脉冲源及启停控制电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号，作为整个机器的时钟脉冲，启停线路可以开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动和停机。（5）时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号。（6）操作控制信号形成部件：综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。（7）中断机构：对异常情况和外来请求处理。（8）总线控制逻辑：对总线信息传输控制。操作控制信号形成部件产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制
12、计算机各部分的操作，它是整个控制的核心。该部件的组成可用微程序方式，也可用组合逻辑方式或可编程逻辑阵列 PLA 方式。微程序控制方式的基本思想是把机器指令的每一操作控制步编成一条微指令。微指令的格式可分为水平型微指令和垂直型微指令。微指令的每一位代表一个微命令，也即代表了操作控制信号。微指令序列称为微程序，每一条机器指令对应一段微程序。计算机指令系统所对应的所有的微程序存放在微程序存储器中。每条微指令具有唯一的微地址，执行微程序时，采用微指令地址生成技术产生下一条微指令的地址。北华航天工业学院课程设计报告4第三章 指令系统3.1 数据格式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为 16 位
13、，格式如下：表 3-1 补码表示表15 14 13 0符 号 尾 数其中，第 16 位为符号位，数值表示范围是：-32768 32767。3.2 指令格式（1）算术逻辑指令设计 9 条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：表 3-2 寻址方式表示表7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE rs rd其中 OP-CODE 为操作码，rs 为源寄存器，rd 为目的寄存器，并规定：表 3-3 操作码表表 3-4 寄存器表rs 或 rd 选定寄存器00 Ax01 Bx10 Cx（2）存储器访问及转移指令存储器的访问有两种，存数和取数。它们都使用助记符 MOV，但操作码不同。转
14、移指令只有一种，及无条件转移（JMP） 。指令格式如下： 表 3-5 存储器的访问表7 6 5 4 3 2 1 000 M OP-CODE rdD其中 OP-CODE 为操作码，rd 为寄存器。M 为寻址模式，D 随 M 的不同其定义也不同，OP-CODE 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111指令 CLR MOV ADD SUB INC AND NOT ROR ROL北华航天工业学院课程设计报告5如下表所示：表 3-6 操作码表OP-CODE 00 01 10指令说明 写存储器 读存储器 转移指令表 3-7 寻址模式表寻址模式 M 有效地址
15、E D 定义 说明00 E=（PC）+1 立即数 立即寻址10 E=D 直接地址 直接寻址11 E=100H+D 直接地址 扩展直接寻址（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 3-8 I/O 操作码表7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE addr rd其中，当 OP-CODE=0100 且 addr=10 时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当 OP-CODE=0100 且 addr=01 时，将数据输入到“输出显示电路”中的数码管显示。3.3 指令系统本实验共有十四条基本指令，其中算术逻辑指令 8 条，访问内存指令和程序控制指令4 条
16、，输入输出指令 2 条。下表列出了各条指令的格式，汇编符号和指令功能。表 3-9 指令格式表汇编符号 指令的格式 功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd rs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd对 rd 求反rd 循环右移rd 循环左移1000 rs rd1001 rs rd1010 rs rd1011 rd rd1100 rs rd1101 rd rd1110 rd rd1111 rd rd北华航天工业学院课程设计报告6MOV D , rdMOV
17、rd , Drd DD rdMOV rd , DJMP DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rdKIN rdrd DISP0100 10 rd0100 01 rd00 10 00 rdD00 10 01 rdD 00 00 01 rdD00 00 10 00D北华航天工业学院课程设计报告7第四章 微代码设计与实验4.1 微代码设计设计三个控制操作微程序如下：（1）存储器读操作（MRD）拨动清零开关 CLR 对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入 CA1、CA2 为“00” 时，按“单步”键，可对 RAM 连续读操作。（2）存储器写操作（MWE）拨动清零开关 CLR 对
18、地址、指令寄存器清零后，指令译码输入 CA1、CA2 为“10” 时，按“单步”键，可对 RAM 连续写操作。（3）启动程序（RUN）拨动清零开关 CLR 对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入 CA1、CA2 为“11” 时，按“单步”键，即可转入到第 01 号“取指”微指令，启动程序运行。本系统设计的微程序字长共 24 位，其控制位顺序如表 4-1 所示。表 4-1 24 位微代码表24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1S3 S2 S1 S0 M Cn WE 1A 1B F1 F2 F3 uA5 uA4
19、uA3 uA2 uA1 uA0F1、F2、F3 三个字段的编码方案如表 4-2 所示。表 4-2 编码方案表F1 字段 F2 字段 F3 字段15 14 13 选择 12 11 10 选择 9 8 7 选择0 0 0 LDRi 0 0 0 RAG 0 0 0 P10 0 1 LOAD 0 0 1 ALU-G 0 0 1 AR0 1 0 LDR2 0 1 0 RCG 0 1 0 P30 1 1 自定义 0 1 1 自定义 0 1 1 自定义1 0 0 LDR1 1 0 0 RBG 1 0 0 P21 0 1 LAR 1 0 1 PC-G 1 0 1 LPC1 1 0 LDIR 1 1 0 299
20、-G 1 1 0 P41 1 1 无操作 1 1 1 无操作 1 1 1 无操作微程序流程图如图 2 所示。北华航天工业学院课程设计报告8北华航天工业学院课程设计报告94.2 实验微代码实验微代码如表 4-3 所示。表 4-3 使用微代码表微地址（8 进制） 微地址（2 进制） 微代码（16 进制）00 000000 007F8801 000001 005B4202 000010 016FFD06 000110 015FE507 000111 015FE510 001000 005B4A11 001001 005B4C12 001010 014FFB13 001011 007FC114 001
21、100 01CFFC20 010000 005B6522 010010 005B4723 010011 005B4624 010100 007F1525 010101 02F5C127 010111 018FC130 011000 0001C131 011001 0041EA32 011010 0041EC33 011011 0041F234 011100 0041F335 011101 0041F636 011110 3071F737 011111 3001F940 100000 0379C141 100001 010FC142 100010 011FC445 100101 007F2052
22、 101010 0029EB北华航天工业学院课程设计报告1053 101011 9403C154 101100 0029ED55 101101 6003C162 110010 0003C163 110011 0025F565 110101 B803C166 110110 0C03C167 110111 207DF870 111000 000DC171 111001 107DFA72 111010 000DC173 111011 06F3C874 111100 FF73C975 111101 016E10北华航天工业学院课程设计报告11第五章 设计内容5.1 设计内容本系统完成计算及验证实验结果
23、。计算公式：2(2Ax+1)+Bx+2Ax观察结果值与实验输出值是否相等。5.2 程序代码本实验的机器指令程序代码如表 5-1 所示。表 5-1 指令输入表地址（十六进制） 机器指令（十六进制） 助记符 说明00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0B H0C H0D H0E H0F H10 H11 H12 H13 H0048 H00F0 H0082 H0046 H00B0 H0082 H0046 H00F0 H0082 H0046 H0049 H0091 H0048 H00F0 H0094 H0082 H0046 H00A4 H0008 H00
24、00 HIN Ax , KINROL AxMOV Cx , AxOUT DISP , CxINC AxMOV Cx , AxOUT DISP , Cx ROL Ax MOV Cx , AxOUT DISP , CxIN Bx , KINADD Bx,AxIN Ax , KIN ROL AxADD Ax, BxMOV Cx , AxOUT DISP , CxSUB Ax,BxJMP XXXXH输入 AxAx 循环左移一位Ax CxCx DISPAx+1 AxAx CxCx DISPAx 循环左移一位Ax CxCx DISP输入 BxAx+Bx-Bx输入 AxAx 循环左移一位Ax+Bx-AxAx
25、 CxCx DISPAx-Bx-AxXXXXH 低八位-PC0000 H PC北华航天工业学院课程设计报告12第六章 系统实现6.1 硬件连线图连接硬件系统，电路如图 6-1 所示。图 6-1 硬件连线图6.2 系统实现步骤本系统在联机方式下进行。步骤如下：（2）启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。微指令操作： 写：在编辑框中输入微指令程序（格式：两位八进制微地址 + 空格 + 六位十六进制AO1 BO1微控器接口LDRO1 LDRO2 ALU_GOUT AROUT STATUS UAJ1 G_299OUTWEOWEILDR1 LDR2运算器接口ALU_
26、G AR S3-S0 M CNG_299输出显示 W/RD15-D0D_G控制总线W/RW/R T4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O 控制MD15-MD0数据总线AD7-AD0地址总线WE MD15-MD0 MA7-MAO主存储器电路 CE北华航天工业学院课程设计报告13微代码） ，按“ 保存” 按钮，将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM) 中；按“ 打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的 K4K3K2K1 拨到写状态即 K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中 K1、K2、K3 在微程序控制电路， K4 在 24
27、位微代码输入及显示电路上，然后按“写入“ 按钮，微程序写入控制存储器电路。读：将实验箱上的 K4K3K2K1 拨到写状态即 K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，在“读出微地址”栏中填入两位八进制地址，按“ 读出”按钮，则相应的微代码显示在“读出微代码”栏中。微指令操作界面如图 6-2 所示。图 6-2 微指令操作打开实验课题参数对话窗口：机器指令操作。 写：在编辑框中输入实验用的机器指令程序（格式：两位十六进制地址+空格+2 位或4 位十六进制代码） ，按“保存” 按钮，将机器指令程序代码保存在一给定文件 (*.ASM)中；按“打开”按钮，打开已有的机器指令程序文件，并显示在
28、编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1 拨到运行状态即 K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，拨动“CLR”开关对地址和微地址清零，将表 13 中的数据以图 4 形式写入，然后按“写入” 按钮，机器指令写入存储器电路。读：将实验箱上的 K4K3K2K1 拨到运行状态即 K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，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，然后北华航天工业学院课程设计报告14按“读出”按钮,则相应的指令代码显示在 “读出指令代码”栏中。 （3）运行程序单步：在运行状态前提下，选择操作-单步，然后拨动“CLR”开关对地
29、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。 连续：在运行状态前提下，选择操作-连续，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。 停止：在连续运行程序过程中，可按“停止”按钮暂停程序的执行。此时地址和微地址并不复位，仍可以从暂停处单步或连续执行。机器指令操作界面如图 6-3 所示：图 6-3 机器指令操作程序运行过程中，遇到输入语句时，会出现如图 6-4 和图 6-5 所示对话框，要求输入数据：北华航天工业学院课程设计报告15图 6-4
30、弹出窗口提示操作图 6-5 输入数据 Ax图 6-6 输入数据 Bx图 6-7 输入数据 Ax6.3 测试用例以下为实验中使用的输入数据：实验数据 Ax Bx AX第一组数据 0002H 0004H 0003H第二组数据 1111H 2222H 0003H第三组数据 1112H 2222H 0005H北华航天工业学院课程设计报告16以下为实验中显示结果：图 6-8 显示 2Ax图 6-9 显示 2Ax+1图 6-10 显示 2(2Ax+1)北华航天工业学院课程设计报告17图 6-11 显示 2(2Ax+1)+Bx+2Ax图 6-12 实验连线北华航天工业学院课程设计报告18总 结本次实验大体上
31、分为三步。首先，是连接电路。其次，装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行,通过观察运行情况和数据在总线上的流动,了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义。最后，自己设计程序并装载运行并检验运行结果。对于自己要设计的程序首先根据题目要求写出它的汇编格式，再根据这个汇编格式写出机器指令并设计出微程序流程图。最后根据所设计的微程序流程图写出其微指令代码。这些工作完成后把所设计的机器指令和微程序代码改写成指定的格式装载到实验系统上运行，观察运行过程和设计目的是否一致。如果不一致,要进行适当的修改直到一致为止。经过多次修改，最终实现设计要求。通过这次实验设计是我加深了对机器指令和微指令
32、的理解和计算机计算流程的了解。本次课程设计我们要设计一台微程序控制的模型机, 了解了一个比较成熟的模型机的实现,完成对计算机组成原理这门课程的综合应用,达到学习本书的作用.作为一个计算机系学生这是必需掌握的。使我们对数据选择器、移位器、加法器、运算器、存储器和微程序控制器，有了比较透彻的认识。由于计算机设计的部件较多、结构原理较复杂，对于我们这样的初设计者来说感到无从下手。在设计过程中，我们从开始的粗略的一个概念，到中间的疑惑与焦虑，到解决了问题的快乐。这对于我们以后工作也有着很大的好处，培养了我们遇到问题，分析问题，解决问题各个方面上的能力。设计结束了，从中我们也学到了不少知识.虽然计算机组
33、成原理的课程设计与学习已经结束,可我们学习之路并没有结束,我们会继续努力学习其相关的知识,以适应社会的发展与需要.这样才能真正成为一名合格的大学生。北华航天工业学院课程设计报告19参考文献1唐硕飞. 计算机组成原理. 北京：高等教育出版社，20022白中英. 计算机组织与结构. 北京：科学出版社，20033黄钦胜. 计算机组成原理. 北京：电子工业出版社，20034蒋本珊. 计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，20045季福坤. 计算机组织与系统结构. 北京：中国水利水电出版社，2010北华航天工业学院课程设计报告20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
