1、計算機組成原理課程設計報告計算機組成原理課程設計報告報告題目： 復雜模型機系統設計及調試運行 作者所在系部： 計算機與遙感信息工程學院 作者所在專業： 計算機科學與技術 作者所在班級： B12512 作 者 姓 名 ： 張志偉 指導教師姓名： 房好帥 李楠 完 成 時 間 ： 2015年1月9日 北華航天工業學院教務處制目 錄內容摘要I課程設計任務書II第1章 緒論11.1 設計地點11.2 設計目的11.3 設計內容11.4 實驗的環境和設備21.5設計的意義21.6課程設計的要求2第2章 指令系統概述32.1 模型機結構框圖32.2 工作原理42.2.1 數據格式42.2.2 指令格式42

2、.2.3 指令系統5第3章 微代碼設計與實驗73.1 微代碼設計73.2 實驗微代碼8第4章 運算程序設計10第5章 系統實現115.1 系統設計內容115.2 系統實現11第6章 總 結16參考文獻17內容摘要計算機系統由計算機硬件和軟件兩部分組成。硬件包括中央處理機、存儲器和外部設備等；軟件是計算機的運行程序和相應的文檔。計算機系統 具有接收和存儲信息、按程序快速計算和判斷并輸出處理結果等功能。本實驗利用EL-JY-型計算機組成原理實驗系統組建電路，綜合運用運算器、控制器等部件，完成一個較完整的模型機設計和實現，并構造一個指令系統使編寫機器指令實現不同的具體運算功能，如實現數據的輸入、輸出

3、、加法、減法、移位、乘法以及賦值等運算的功能。關鍵詞：EL-JY-II 模型機 指令系統 機器指令 微程序 課程設計任務書課題名稱復雜模型機系統設計及調試運行完成時間2015.1.9指導教師房好帥、李楠職稱 講師學生姓名張志偉班 級B12512總體設計要求和技術要點掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數據表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現、存儲器子系統的結構與功能、輸入/輸出系統的工作原理與功能。（1）利用實驗設備平臺構造完整的模型機；（2）利用運算器74LS181執行算術操作和邏輯操作；（3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數據在計算機

4、總線的傳送關系，實現運算器和存儲器協同工作，讀寫數據，檢查結果是否正確；（4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；（5）構造指令系統，定義至少15條機器指令，實現比較完整的模型機功能，包括算術運算、邏輯運算、移位運算以及輸入/輸出處理。（6）完成指定功能的實現，參加成果驗收，撰寫課程設計報告。工作內容及時間進度安排總計2周：1.12月29日：資料查閱、確定選題、系統總體設計2. 12月30日1月2日：熟悉開發環境和工具，模塊設計、代碼編制3. 1月5日9日：系統調試與運行，現場驗收設計成果4. 1月12日：上交設計報告（打印稿及電子稿）課程設計成果1

5、. 課程設計硬件系統及配套軟件2. 課程設計報告書第1章 緒論現代社會計算機的應用將會越來越普遍，了解計算機的組成與體系結構，對使用計算機的人們來說有很大的幫助，能夠使他們熟練地掌握和操作計算機。通過課程設計對計算機組成和系統結構的基礎知識進行全面的掌握，培養獨立分析、研究、開發和綜合設計能力。1.1 設計地點教10五樓嵌入式實驗室。1.2 設計目的本課程設計綜合運用運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統、總線等部件和輔助電路，完成一個較完整的模型計算機設計和實現（包括硬件和軟件）。通過課程設計對計算機組成和系統結構的基礎知識進行全面的掌握，培養獨立分析、研究、開發和綜合設計能力。1.3 設計內

6、容掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數據表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現、存儲器子系統的結構與功能、輸入/輸出系統的工作原理與功能。（1）利用實驗設備平臺構造完整的模型機；（2）利用運算器74LS181執行算術操作和邏輯操作；（3）運用隨機存儲器RAM以及地址和數據在計算機總線的傳送關系，實現運算器和存儲器協同工作，讀寫數據，檢查結果是否正確；（4）應用微程序控制器，往EEPROM里任意寫24位微代碼，讀出微代碼并驗證其正確性；（5）構造指令系統，定義至少15條機器指令，實現比較完整的模型機功能，包括算術/邏輯運算以及輸入輸出處理；

7、（6）完成指定功能的實現，參加成果驗收，撰寫課程設計報告。1.4 實驗的環境和設備利用EL-JY-II型計算機組成與系統結構實驗系統。系統采用“基板+擴展板（CPU板）”形式；系統公共部分如數據輸入/輸出和顯示、單片機控制、與PC機通訊等電路放置在基板上，微程序控制器、運算器、各種寄存器、譯碼器等電路放置在擴展板上。系統提供有面包板和CPLD實驗板，可自己設計內容。1.5設計的意義掌握計算機五大功能部件的組成及功能，熟悉完整的單臺計算機基本組成原理，掌握計算機中數據表示方法、運算方法、運算器的組成、控制器的實現、存儲器子系統的結構與功能、輸入/輸出系統的工作原理與功能。通過自己設計機器指令，將

8、所學的知識運用與實踐。1.6課程設計的要求要求畫出系統模塊框圖：按從上到下的設計方法，將整個設計依功能劃分成若干模塊；并確定各個模塊的輸出、輸入端口及要完成的功能。檢查模塊邏輯功能是否正確。第2章 指令系統概述2.1 模型機結構框圖此模型機是由運算器，控制器，存儲器，輸入設備，輸出設備五大部分組成。1.運算器又是有299，74LS181完成控制信號功能的算邏部件，暫存器LDR1，LDR2，及三個通用寄存器Ax，Bx，Cx等組成。2.控制器由程序計數器PC、指令寄存器、地址寄存器、時序電路、控制存儲器及相應的譯碼電路組成。3.存儲器RAM是通過CE和W/R兩個微命令來完成數據和程序的的存放功能的

9、。4.輸出設備有兩位LED數碼管和W/R控制完成的。LR0 LR1 LR2寄存器Ax Bx CxR0-G R1-G R2-G數據總線（D_BUS）ALU-GALUM CNS3S2S1S0暫存器LT1暫存器LT2LDR1LDR2移位寄存器M S1 S0G-299輸入設備DIJ-G微控器脈沖源及時序指令寄存器LDIR圖中所有控制信號LPCPC-G程序計數器LOADLAR地址寄存器存儲器 6116CEWE輸出設備D-GW/RCPU 圖 2-1 模型機結構框圖圖2-1中運算器ALU由U7-U10四片74LS181構成，暫存器1由U3、U4兩片74LS273構成，暫存器2由U5、U6兩片74LS273構

10、成。微控器部分控存由U13-U15三片2816構成。除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。存儲器部分由兩片6116構成16位存儲器，地址總線只有低八位有效，因而其存儲空間為00H-FFH。輸出設備由底板上的四個LED數碼管及其譯碼、驅動構成，當D-G和W/R均為低電平時將數據總線的數據送入數碼管顯示。在開關方式下，輸入設備由16位電平開關及兩個三態緩沖芯片74LS244構成，當DIJ-G為低電平時將16位開關狀態送上數據總線。在鍵盤方式或聯機方式下，數據可由鍵盤或上位機輸入，然后由監控程序直接送上數據總線，因而外加的數據輸入電路可以不用。本系統的數據總線為16位，指令、地址和程序計數

11、器均為8位。當數據總線上的數據打入指令寄存器、地址寄存器和程序計數器時，只有低八位有效。2.2 工作原理2.2.1 數據格式本實驗計算機采用定點補碼表示法表示數據，字長為16位，格式如下： 表2-1 補碼表示表 1514 13 . 0符 號尾 數其中，第16位為符號位，數值表示范圍是：-32768 32767。2.2.2 指令格式（1）算術邏輯指令設計9條單字長算術邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如下：表2-2 尋址方式表示表7 6 5 43 21 0OP-CODErsrdOP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDS

12、UBINCANDNOTRORROL表2-3 操作碼表其中OP-CODE為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規定：表2-4 寄存器表rs 或 rd選定寄存器00Ax01Bx10Cx（2）存儲器訪問及轉移指令存儲器的訪問有兩種，存數和取數。它們都使用助記符MOV，但操作碼不同。轉移指令只有一種，及無條件轉移（JMP）。指令格式如下： 表2-5 存儲器的訪問表7 65 43 21 000MOP-CODErdD其中OP-CODE為操作碼，rd為寄存器。M為尋址模式，D隨M的不同其定義也不同，如下表所示：表2-6 操作碼表OP-CODE000110指令說明寫存儲器讀存儲器轉移指令表2-7 尋址

13、模式表尋址模式M有效地址ED定義說明00E=（PC）+1立即數立即尋址10E=D直接地址直接尋址11E=100H+D直接地址擴展直接尋址（3）I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節指令，其格式如下： 表2-8 I/O操作碼表7 6 5 43 21 0OP-CODEaddrrd其中，當OP-CODE=0100且addr=10時，從“數據輸入電路”中的開關組輸入數據；當OP-CODE=0100且addr=01時，將數據輸入到“輸出顯示電路”中的數碼管顯示。2.2.3 指令系統本系統共有十四條基本指令，其中算術邏輯指令8條，訪問內存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條。表2-1列出

14、了各條指令的格式，匯編符號和指令功能。表2-1 指令格式表匯編符號指令的格式功能MOV rd , rsADD rd , rsSUB rd , rsINC rdAND rd , rsNOT rdROR rdROL rd 1000 rs rd 1001 rs rd 1010 rs rd 1011 rd rd 1100 rs rd 1101 rd rd 1110 rd rd 1111 rd rdrs rdrs + rd rdrd - rs rdrd + 1 rdrs rd rd對rd 求反rd循環右移rd循環左移MOV D , rdMOV rd , D 00 10 00 rd D 00 10 01

15、rd D rd DD rdMOV rd , DJMP D 00 00 01 rd D 00 00 10 00 DD rdD PCIN rd , KINOUT DISP , rd 0100 10 rd 0100 01 rdKIN rdrd DISP第3章 微代碼設計與實驗3.1 微代碼設計設計三個控制操作微程序如下：（1）存儲器讀操作（MRD）撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“00”時，按“單步”鍵，可對RAM連續讀操作。（2）存儲器寫操作（MWE）撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“10”時，按“單步”鍵，可對RAM

16、連續寫操作。（3）啟動程序（RUN）撥動清零開關CLR對地址、指令寄存器清零后，指令譯碼輸入CA1、CA2為“11”時，按“單步”鍵，即可轉入到第01號“取指”微指令，啟動程序運行。本系統設計的微程序字長共24位，其控制位順序如表3-1所示。 表3-1 24位微代碼表24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0F1、F2、F3三個字段的編碼方案如表3-2所示。表3-2 編碼方案表F1字段F2字段F3字段15 14 13選擇12 11 10選擇9 8 7選擇0 0 0L

17、DRi0 0 0RAG0 0 0P10 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 1自定義0 1 1自定義0 1 1自定義1 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P41 1 1無操作1 1 1無操作1 1 1無操作微程序流程圖如圖3-1所示。 圖3-1 指令系統流程3.2 實驗微代碼實驗微代碼如表3-3所示。表3-3 使用微代碼表微地址（8進制）微地址（2進制）微代碼（16進制）00000000007F8801000001005

18、B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B4624010100007F152501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041EC330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103071F7370

19、111113001F9401000000379C141100001010FC142100010011FC445100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011016003C1621100100003C1631100110029F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA72111010000D3C874111100FF73C975111101016E10第4章 運算程序設計本實驗所實現的計算公式為：

20、 Cx(Ax*2+1)*2/2-Bx由計算公式可得出如表4-1所示的機器指令代碼表：表4-1 指令輸入表地址（十六進制）機器指令（十六進制）助記符說明00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H07 H08 H09 H0A H0B H0C H0D H0E H0F H10 H11 H0048 H00F0 H00B0 H0081 H0021 H,0020 H0025 H,0020 H0094 H0082 H0046 H0049 H00E0 H0082 H0046 H00A4 H0082 H0046 H0008 H0000 H IN Ax , KIN ROL Ax INC Ax MOV

21、Bx , Ax MOV 0020H , Bx MOV Bx, 0020H ADD Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx IN Bx , KIN ROR Ax MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx SUB Ax , Bx MOV Cx , Ax OUT DISP , Cx JMP 0000 H 輸入 AxAx循環左移Ax+1 AxAx BxBx存入內存0020H從內存讀出到BxAx + Bx AxAx CxCx LED輸入 BxAx循環右移Ax CxCx LEDAx - Bx AxAx CxCx LED0000 H PC 第5章 系統實現5.1 系統設

22、計內容本系統完成計算及驗證實驗結果。計算公式：Cx(Ax*2+1)*2/2-Bx觀察結果值與實驗輸出值是否相等。5.2 系統實現系統在聯機方式下進行。步驟如下：（1） 連接硬件系統，電路如圖5-1所示。AO1BO1微控器接口LDRO1LDRO2ALU_GOUTAROUTSTATUSUAJ1G_299OUTWEOWEILDR1LDR2運算器接口ALU_GARS3-S0 M CNG_299輸出顯示W/RD15-D0D_G控制總線W/RW/RT4T3T2T1F4F3F2F1 C1-C6Y1Y21B1AI/O控制 MD15-MD0數據總線 AD7-AD0 地址總線 WE MD15-MD0 MA7-MA

23、O主存儲器電路 CE圖5-1 硬件連線圖圖5-2 硬件連線實物圖（2）啟動實驗聯機軟件，打開實驗課題菜單，選中實驗課題，打開實驗課題參數對話窗口。微指令操作： 寫：在編輯框中輸入微指令程序（格式：兩位八進制微地址 + 空格 + 六位十六進制微代碼），按“保存”按鈕，將微程序代碼保存在一給定文件(*.MSM)中；按“打開”按鈕，打開已有的微程序文件，并顯示在編輯框中；將實驗箱上的K4K3K2K1撥到寫狀態即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制電路，K4在24位微代碼輸入及顯示電路上，然后按"寫入"按鈕，微程序寫入控制存儲器電路

24、。讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥到寫狀態即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，在“讀出微地址”欄中填入兩位八進制地址，按“讀出”按鈕，則相應的微代碼顯示在“讀出微代碼”欄中。微指令操作界面如圖5-3所示。 圖5-3 微指令操作打開實驗課題參數對話窗口：機器指令操作。 寫：在編輯框中輸入實驗用的機器指令程序（格式：兩位十六進制地址+空格+2位或4位十六進制代碼），按“保存”按鈕，將機器指令程序代碼保存在一給定文件(*.ASM)中；按“打開”按鈕，打開已有的機器指令程序文件，并顯示在編輯框中；將實驗箱上的K4K3K2K1撥到運行狀態即K1 on、K2 off、K3 on、K4

25、 off，撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，將表13中的數據以圖4形式寫入，然后按“寫入”按鈕，機器指令寫入存儲器電路。 讀：將實驗箱上的K4K3K2K1撥到運行狀態即K1 on、K2 off、K3 on、K4 off，在“讀出指令地址”欄中填入兩位十六進制地址，撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，然后按“讀出”按鈕,則相應的指令代碼顯示在“讀出指令代碼”欄中。 （3）運行程序單步：在運行狀態前提下，選擇操作-à單步，然后撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，然后每按一次"單步"按鈕，執行一條微指令?？蓮膶嶒炏涞闹甘緹艉惋@示LED觀察單步運行的結果。 連續：

26、在運行狀態前提下，選擇操作-à連續，先撥動“CLR”開關對地址和微地址清零，然后按"連續"按鈕，可連續執行程序?？蓮膶嶒炏涞闹甘緹艉惋@示LED觀察連續運行的結果。 停止：在連續運行程序過程中，可按"停止”按鈕暫停程序的執行。此時地址和微地址并不復位，仍可以從暫停處單步或連續執行。機器指令操作界面如圖5-4所示：圖5-4 機器指令操作程序運行過程中，遇到輸入語句時，會出現如圖5-5和圖5-6所示對話框，要求輸入數據： 圖5-5 輸入數據對話框（4） 測試用例以下為實驗中使用的輸入數據及計算結果：實驗數據AxBxCX第一組數據0002H0002H0003H第二組數據0010H0001H0020H第三組數據0005H0004H0007H實驗結果如下所示：圖5-6第一組數據及結果圖5-7 第二組數據及結果 圖5-8第三組數據及結果 第6章 總 結在這次課程設計中，基本上了解和