1、沈陽工程學院設計題:基本模型機的設計與實現（第7組）系 別 學生姓名 指導教師 起止日期*m 學號王健、李貞職稱副教授、教授:2011年1月3日起至2011年1月9日止課程設計任務書課程設計題目：基本模型機的設計與實現（第7組）系 別信息工程系班級計本081學生姓名王浩 學號2008412110指導教師王健、李貞職稱副教授、教授課程設計進行地點：計算機組成原理實驗室任務下達時間：2010年12月24日起止日期：2011年1月3日起至2011年1月9日止 教研室主任 王健2010年12月22日批準一、課程設計的原始資料及依據查閱有關計算機組成原理的教材、實驗指導書等資料，進一步熟悉微程序控制器原

2、理，微指令的設 計方法。在掌握運算器、存儲器、微程序擰制器等部件的單元電路實驗的基礎上，進一步將各部件組成 系統，構造一臺基本模型計算機。為給定的機器指令編寫相應的微程序，上機調試，掌握整機概念。二、課程設計主要內容及要求1.認真閱讀資料，掌握設計題目所要求的機器指令的操作功能。除4條必做指令外，每組另外設 計1條機器指令。2條選做指令，供有能力的學生完成。全部機器指令如下：要求機器指令助記符操作功能說明設計組編號機器指令助記符操作功能說明必做in“ data unit” 開關一r0第4組ans addr(addr and r0)-lr0必做and addrr0 and addr-ro第5組n

3、an addraddr and r0 r0必做sub addrro-addr-*ro笫6組sga addrro-addr-* addr必做jmp addraddr-* pc第7組decr addr,3addr-3->r0第1組nro addrroor addr -> r0第8組inc addr,2addr + 2> addr第2組nob addraddr 4 bus選做incr addrr0 + 1 addr第3組nor addraddr or r0 -> r0選做xor addrr0 xor addr-*ro2. 為所要設計的機器指令設計操作碼和操作數，并安排其在ra

4、m芯片6116屮的地址。形成“機 器指令表”3. 分析并理解數據通路圖。根據數據通路圖畫山給定的機器指令的微程序流程圖。4. 根據微指令格式編寫每條機器指令對應的微程序，形成“二進制微指令代碼表”。5. 全部微程序設計完畢后，按照課程設計指導書中給岀的電路接線圖連接線路。6. 將微程序中各個微指令正確地寫入e2prom芯片2816屮。7. 執行控制臺操作微指令，進行機器指令程序的裝入和檢查。8. 運行程序，檢查結果是否和理論值一致。9. 記錄出現故障的現象，并對故障進行分析，說明排除故障的思路及故障性質。10. 獨立思考，認真沒計。遵守課程設計時間安排。11. 認真書寫課程設計說明書，避免相互

5、抄襲。三、對課程設計說明書撰寫內容、格式、字數的要求1. 課程設計說明書是體現和總結課程設計成果的載體，主要內容包括：設計題0、設計0的、設備 器材、設計原理、設計內容、設計步驟、實現方法及關鍵技術、遇到的問題及解決方法、設計總結等。 般不應少于3000字。2. 在適當位置配合相應的實驗原理圖、數據通路圖、微程序流程圖、實驗接線圖、微指令代碼表等 圖表進行說明。應做到文理通順，內容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。3. 設計總結部分主要寫本人設計期間所做工作簡介、得到了哪些設計成果、以及自己的設計體會， 包括通過課程設計有何收獲，程序有哪些不足之處，哪里遇到了困難，解決的辦法，以及今后的0標。4.

6、 課程設計說明書手寫或打印均可，具體要求如下：手寫時要用統一的課程設計用紙格式，用黑或藍黑墨水工整書寫；命打印時采用a4紙，貞邊距均為20mm，目錄、各章標題（如：2設計原理及內容）和設計總結等部分的標題用小三號黑體，上下各空1行，居屮書寫；一級節標題（如：2.1設計原理）采用黑體 四號字，二級節標題（如:2.1.1數據通路）采用黑體小四號字，左對齊書寫。正文采用宋體小四號字，行間距18磅，每個自然段首行縮進2個字。 圖和表的要有編號和標題，如：圖2.1數據通路圖；表1.1機器指令表。圖題與表題采用宋體五 號字。表格內和插閹屮的文字一般用宋體五號字，在保證清楚的前提下也可用更小號的字體。英文字

7、體和數字采用time new roman字體，與屮文浞排的英文字號應與周闈的漢字大小一致。頁碼用五號字，在每頁底端居屮放置。5. 課程設計說明書裝訂順序為：封而、任務書、成績評定表、設計小組任務分配及自評、目錄、正 文、設計總結。在左側用訂書釘裝訂，不要使用塑料夾。6. 設計小組任務分配及自評處注明設計組編號、設計組組長、設計組成員，并由設計組組長給出評 語。包括該同學主要完成了哪些任務，課程設計期間的表現和態度如何，組長自己的評語由小組其他成 員集體討論后寫出。設計完成后應提交成果的種類、數量、質量等方面的要求1. 完成題目要求的機器指令的操作功能，微程序運行穩定。2. 提交課程設計說明書打

8、印版及word文件。五、時間進度安排順序階段h期計劃完成內容備注1第1天（1月3曰）閱讀資料、系統分析設計2第2天（1月4日）系統分析設計、微程序編制3第3-4天（1月5-6日）微程序輸入、調試及運行4第5天（1月7日）基本模型機運行驗收、答辯5第6-7天（1月8-9日）撰寫課程設計說明書六、主要參考資料（文獻）1 王健、王德君.計算機組成原理實驗指導書.沈陽工程學院，20092 白中英.計算機組成原理（第4版）.北京:科學出版社，20083 蔣本珊.計算機組成原理.北京:清華大學出版社，20054 唐朔飛.計算機組成原理.北京:高等教育出版社，2003沈陽工程學院計算機組成原理課程設計成績評

9、定表系（部）：信息工程系班級：計本081學生姓名：王浩指導教師評審意見評價內容具體要求權重評分加權分工作態度工作態度認真，遵守紀律，出勤情況良好。0. 15432工作能力認真閱讀課程設計指導節及其他參考書籍，理 解設計原理；能設計機器指令，獨立繪制指令 周期流程圖，為微指令編碼；線路連接正確， 遇到問題能夠深入分析并解決。0.25432工作s:按期圓滿完成規定的設計任務，工作量飽滿， 難度適宜。0.25432說明書的 質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理， 文字通順，技術用語準確，符號統一，編號齊 全，圖表完備，書寫工整規范。0.55432指導教師評審成績 （加權分合計乘以8）分加權分合

10、計指導教師簽名：年 月 日評閱教師評審意見評價內容具體要求權重評分加權分查閱資料查閱資料較廣泛，有綜合歸納資料的能力。0. 25432工作量工作量飽滿，難度適屮。0. 55432說明書的 質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理， 文字通順，技術用語準確，符號統一，編號齊 全，閣表完備，書寫工整規范。0.35432評閱教師評癢 （加權分合計勇成績 擬4）分加權分合計評閱教師簽名：年 月 日答辯小組評審意見評價內容具體要求權重評分加權分學生匯報 操作演示匯報準備充分，語言表達準確，概念淸楚，描 述正確；操作熟練、微程序運行正常；基本上 反映了所完成任務的全部內容。0. 5432答辯思路清晰；回

11、答問題有理論依裾，基本概念清 楚；主要問題冋答正確并迅速，有說服力。0. 55432答辯小組評癢 （加權分合計勇成績 賽以8）分加權分合計答辯小組教師簽名：年 月 日課程設計總評成績分目錄第1章程序設計11.1程序設計目的11.2程序設計基本原理11.2.1實驗模型機cpu結構11.2.2機器指令的結構和功能2第2章微程序設計42.1微程序設計流程圖42.2二進制微代碼表設計52.2.1控制臺指令代碼與數據52.2.2 歲日十匕石馬丄c/ 52.2.3機器指令與操作碼5第3章線路連接63.1實驗線路連接63.2 x*63.2.1微指令的寫入63.2.2機器指令的寫入與檢查7第4章程序實現84.

12、1 j" x*84.1.1單步運行84.1.2連續運行程序84.2設計新的機器指令84.3微指令代碼8第5章遇到問題及解決方法105.1所遇到的問題10115.2解決的方法10設計總結第1章程序設計1.1程序設計目的(1) 在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統構造一臺基木模型計算 機。(2) 為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調試掌握整機概念。(3) 掌握微程控器的組成原理。(4) 掌握微程序的編寫、寫入，觀察微程序的運行。(5) 通過課程設計，使學生將掌握的計算機組成基木理論應用于實踐中，在實際操作 中加深對計算機各部件的組成和工作原理的理解，掌握微程

13、序計算機中指令和微指令的編 碼方法，深入理解機器指令在計算機中的運行過程。1.2程序設計基本原理1.2.1實驗模型機cpu結構 運算器單元(aluuint)運算器單元由以下部分構成：兩片74ls181構成了并一串型8位alu;兩個8位寄存 器dr1和dr2為暫存工作寄存器，保存參數或屮間運算結果。alu的sos3為運算控制 端，cn為最低進位輸入，m為狀態控制端。alu的輸出通過三態門74ls245連到數據總 線上，由alu-b控制該三態門。 寄存器堆單元(reg unit)該部分由3片8位寄存器ro、rl、r2組成，它們用來保存操作數用屮間運算結構等。 三個寄存器的輸入輸出均以連入數據總線，

14、由ldri和rs-b根據機器指令進行選通。 指令寄存器單元(ins unit)指令寄存器單元屮指令寄存器(ir)構成模型機時用它作為指令譯碼電路的輸入，實 現程序的跳轉，由ldir控制其選通。 時序電路單元(state unit)用于輸出連續或單個方波信號，來控制機器的運行。 微控器電路單元(microcontrollerunft)微控器主要用來完成接受機器指令譯碼器送來的代碼，使控制轉向相應機器指令對應 的首條微代碼程序，對該條機器指令的功能進行解釋或執行的工作。由輸入的w/r信號控 制微代碼的輸出鎖存。由程序計數器(pc)和地址寄存器(ar)實現程序的取指功能。 邏輯譯碼單元(log un

15、it)用來根據機器指令及相應微代碼進行譯碼使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現 微程序的順序、分支、循環運行，及工作寄存器ro、rl、r2的選通譯碼。 主存儲器單元(main mem)用于存儲實驗屮的機器指令。輸入輸出單元（input/output device）輸入單元使用八個撥動開關作為輸入設備，sw-b控制選通信號。輸出單元將輸入數據置入鎖存器后由兩個數碼管顯示其值。該cpu數據結構通路框圖如圖1-1所示：地址總淺s3s2si.s(a l.v <74ik1busar(74273)i.oar/ pc-busiimkm6ii6i)k1 (74273)dr2 <74273)pc

16、(74161)ouipirrcei.odr11 ddr2r2-b| ldpcw/rw/rro-bllr1-btldroi.dr1r2ldr2|hij7 |i數裾總線sw-bw/r1.1:1). liceinputir< 74273)ldircpu圖1-1 cpu結構通路圖1.2.2機器指令的結構和功能部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產生的，而本次課設是在微程控 下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能。這里，計算機數據通路的控制將 由微程控器來完成，cpu從存儲器中取出一條機器指令到指令執行結束的一個指令周期全 部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一個微程

17、序。本次課設采用實驗四中五條機器指令：in （輸入）、and （邏輯與運算）、sub （二進 制減法）、nor （邏輯或非運算）、jmp （無條件轉移）。為了向ram中裝入程序和數據，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執行，還必須設計 三個控制臺操作微程序。存儲器讀操作（krd）:撥動總清開關clr后，控制臺開關swb、swa為“00”時, 按start微動開關，可對ram連續手動讀操作。存儲器寫操作（kwe）:撥動總清開關clr后，控制臺開關swb、swa為“01”時,按start微動開關，可對ram進行連續手動寫入。啟動程序：撥動總清開關clr后，控制臺開關swb、swa置為“11”時，按st

18、art 微動幵關，即可轉入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。上述三條控制臺指令用兩個幵關swb、swa的狀態來設置，其定義如表1-2所示：表1-2控制臺定義格式swbswa控制臺指令00讀存儲器（krd）01寫存儲器（kwe）11啟動程序（rp）微指令字長共24位，其控制位順序如表1-3所示。表1-3控制位順序24232221201918171615 13121097654321s3s2s1s0mcnweceldpcabcua5ua4ua3ua2ualuao其屮ua5ua0為下一條微指令微地址，a、b、c為三個譯碼字段，分別由三個控制 位譯碼出多種不同控制信息。151413選擇00000

19、1ldri010lddr1011lddr2100ldir101load110ldara字段121110選擇000001rs-b010rd-b011ri-b100299-b101alu-b110pc-bb字段987選擇000001p(l)010p(2)011p(3)100p(4)101ar110ldpcc字段其中ua5-ua0為6位的后續微地址，a、b、c三個譯碼字段，分別由三個控制位譯 碼出多位。c字段中的p（l）-p（4）是四個測試字位。其功能是根據機器指令及相應微代碼進 行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現微程序的順序、分支、循環運行。b 字段中的rd-b、ro-b、ri-b、分

20、別為源寄存器選通信號、h的寄存器選通信號及變址寄 存器選通信號其功能是根據機器指令來進行三個工作寄存r0、rl、r2的選 通譯碼。 a8、a9為控制選通信號，當a8a9為00時，選通swb;為01時，選通ce;為10吋， 選通led b;為11時，表示均未選通。s0s3為運算控制控制信號，cn為進位控制信 號，m為狀態控制控制信號。第2章微程序設計2.1微程序設計流程系統涉及到的微程序流程，當擬定“取址”微指令吋，該微指令的判別測試字段為p (1)測試。由于“取址”微指令是所冇微程序都使用的公用微指令，因此p (1)的測試結 果出現多路分支。本機用指令寄存器的前4位(ir7-ir4)作為測試條

21、件，出現5路分支， 占用5個固定微地址單元。控制臺操作為p (4)測試如圖2-1所示，它以控制臺開關swb、swa作為測試條件， 出現了 3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方 就可以一條微指令占用一個微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地址為8 進制。kti 00/圖2-2流程圖圖2-1控制臺操作我設計的機器指令是sub具體流程如圖2-2所示:2.2二進制微代碼表設計當完成上述全部微程序設汁后，對每條微指令進行代碼化，即將微程序流程圖按微指 令格式轉化而成的，轉化成為如下的“二進制微代碼表”。2.2.1控制臺指令代碼與數據控制臺指令代碼及數據，如表

22、2-3所示。表2-3控制臺指令微地址s3s2s1somcnweceldpcabcua5 uao00000000011101110100202100000001111011100024240000001001101100002120000000011110111000222200000000000000000020230000000111101110002525000000000100000001302.2.2 sub指令代碼與數據sub指令代碼與數據，如表3-2所示。表3-2 sub指令代碼與數據微地址s3 s2s1 somcnweceldpcabcua5 uao520000000111101

23、1100034340000000001100000003535000000000oil0000003636000000010010001000373701100001000110100023注意.表2-3與表2-4的微地址采用了 2位八進制數表示。2.2.3機器指令與操作碼sub指令的機器指令與操作碼，如表3-3所示。表3-3機器指令與操作碼地址（二進制）內容（二進制）助記符說明0001 00110010 0000sub1bhdr2-ro-ro0001 01000100 1011地址（二進制）內容（二進制）助記符說明0001 10110000 0001減數注意：全部操作的機器指令與操作碼見表2

24、-2。第3章線路連接3.1實驗線路連接按照設計的實現線路圖，連接實驗線路，仔細檢查實驗線路無誤后接通電源。實驗線alxmf ssumtldfc mk rocomroi.i l kmainmfnw r vnitt4a131271wlc3古mi9 tnoxi ldomjm24 b mbr-i nse6al k qqatu -tlldwo ql nt i，1wreguni?0udi1 pak rv pi i dar: aqj6 ldad q qldad溢 dl4qpgba<»w.ro7*i5rceo pl4oldimobusqh4|loounuixrtr utvict：oxw-uro

25、o vi( v2dex unit11)7l.lid4soido w?rooutfvt devicf念dtsj t82 1sistati unitswaa：wkins uni tlxy4iv?4jujy555!-uao sc1t2 51thlcs-ahtwxlcpf 7j50路圖如圖3-1所私圖3-13-2s3.2聯機寫入程序3.2.1微指令的寫入將“微程序二進制代碼表”中設計好的微指令正確寫入e2pr0m芯片2816中，校驗 正確后進行下一步。微程序二進制代碼寫入的實驗接線圖如圖3-2所示。編程 將編程開關置為prom （編程）狀態。 將實驗板上的“start unit”中的“step”置為“

26、step”，“stop”置為“run”狀態。 用二進制模擬開關uaoua5置微地址ma0ma5。 在mk23mk0開光上置微地址代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關置為“0” 時燈亮，開光置為“1”時燈滅。 啟動時序電路（按動啟動按鈕“start”），即將微代碼寫入到e2prom2816的相應 地址對應的單元中。 重復步驟，將己完成的微地址代碼及數據寫入到2816中。校驗 將編輯開關置為read (校驗)狀態。 將實驗板的“step”開關置為“step”狀態，“stop”開關置為“run”狀態 用二進制模擬開關ua0ua5置微地址ma0ma5。 按動“start”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼

27、。觀察顯示燈mk23mk0的狀態(燈 亮為“0”，滅為“1”)，檢查讀出的微代碼是否與寫入相同。如果不同，則將開關置為pro m編輯狀態，重新執行即可。3.2.2機器指令的寫入與檢查使用如圖3-3所示的控制臺kwe和krd微程序進行機器指令程序的裝入和檢查kwe(ol)krd(00)rp(1 1)1|231r 21y20(sw)->busbus->ram0122圖3-3控制臺使編程開關置為“run”，step置為“step”狀態，stop置為“run”狀態。撥動總清開關clr (1+0+1)，微地址寄存器清零。此時用“data unit”單元的 8位二進制開關給出寫入ram區的首地

28、址，控制臺swb、swa開關置為“01”，按動一次 啟動開關start,微地址顯示燈顯示為“010001”再按動一次start鍵，微地址燈顯示 “010100”，此時數據開關的內容置為要寫入的機器指令，按動一次start鍵，即完成該 條指令的寫入。機器指令的首地址只要第一次給如即可，pc會自動加1,所以每次按動 start,只有在微地址燈顯示“010100”時，才設置內容，知道所有機器指令完成。寫完程序后須進行校驗。撥動總清開關clr(ihoi)后,微地址清零。此時用“data unit”單元的8位二進制開關置要讀的ram區首地址，控制開關swb、swa為“00”， 按動啟動start,微地址

29、燈將顯示為“010000”，再按動start,微地址將顯示為“010010”, 第三次按動start，微地址顯示為“010000”，此時總線單元的顯示燈顯示為該首地址的內 容。不斷按動start，可檢查后續單元閃容。注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，顯示燈的內容才是相應地址屮那個的 機器指令內容。第4章程序實現4.1運行程序4.1.1單步運行使編程開關處于“run”狀態，step為“step”狀態，stop為“run”狀態。撥動總清開關clr (lol),微地址清零。將“dataunit”的8位數據開關(d7do)設置為機器指令首地址。按動start啟動鍵，單步運行一條微指令，每

30、次按動一次start鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。當運行結朿后，可檢查存數單元中的結果是否和理論值一致。4.1.2連續運行程序使“start unft”中的step開關置為“exec”狀態。stop開關置為“run”狀態。將“dataunft”的8位二進制幵關設置為機器指令程序首地址，然后按動start, 系統連續運行程序，稍后將stop撥至“stop”時，系統停機。停機后可檢查存數單元結果是否正確。4.2設計新的機器指令在上述設計任務正確完成后，根據前面的設計原理和步驟，為該基木模型設計更多的 新機器指令，例如剪發指令、邏輯運算指令等。要求：至少

31、設計一條新指令，畫出新機器指令的微程序流程圖，對照微指令格式轉化 二進制碼，上機調試運行。4.3微指令代碼各條微指令代碼如表4-1所示。表4-1微指令代碼微地址s3s2s1so m cn we ce ldpcabcua5 ua00000000001110111010020210000000111101110002424000000100110110000212000000001111011100022220000000000000000002023000000011110111000252500000000010000000130in3000000001100111000023and51000

32、0000111101110003030000000000oil0000003131000000010010001000323210111101000110100033sub5200000001111011100034340000000001100000003535000000000on0000003636000000010010001000373701100001000110100023decr5300000001111011100040400000000001100000004141000000000oil0000004242000000010010001000434300011x010001101000444401100x01000110100023xor54000000011110111000454500000001001000100046460000000001100000004747000000000oil000000606001101001000110100023i