中央处理器的技术和发展
院别计算机与通信工程学院专业计算机科学与技术
班级学号41004 11
姓名朱昆鹏
2012 年 11月15日
中央处理器的技术和发展
朱昆鹏
（计算机科学与技术专业 4100411 ）
摘要：CPU是计算机系统的心脏，随着中央处理器的的不断发展，在设计技术、工艺技术和新材料技术的推动下，处理器得到了飞速发展，产品不断的更新。介绍CPU的发展历程、CPU在技术方面的飞快发展和未来发展的方向。
关键字：中央处理器；英特尔；同步多线程技术；AMD处理器；VT虚拟化技术、CPU变速技术、加速技术
Abstract: The CPU is the heart of the computer system.Design techniques, technology and new materials technology driven with the continuous development of the central processor,the processor has been developed rapidly with products constantly updated.The course of development of the introduction of the CPU, the CPU in the technical aspects of the fast development and the future development direction.
中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是计算机工作的指挥和控制中心，其主要功能是解释、执行计算机指令以及处理数据。CPU是计算机系统的心脏,计算机特别是微机的快速发展过程,实质上是CPU从低级别向高级、从简单向复杂发展的过程。其设计、制造和处理技术的不断更新换代以及处理能力的不断增强。CPU 发展到今天已使微机在整体性能、处理速度、3D图形图像处理、多媒体信息处理及通信等诸多方面达到甚至超过了小型机。功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。 CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。
一、CPU的发展历程
英特尔公司是全球最大的半导体芯片制造商，它成立于1968年，具有41年产品创新和市场领导的历史。1971年，英特尔推出了全球第一个微处理器。微处理器所带来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。1971年英特尔诞生了第一个微处理器——4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。该芯片其实是为Busicom calculator专门设计制造的，但已经可以看到个人电脑的影子在里面了。
后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080，成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。
1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代。
1982年，英特尔公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，该微处理器的最大
主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB。80286可工作于两种方式，一种叫实模式，另一种叫保护方式。在实模式下，微处理器可以访问的内存总量限制在1兆字节；而在保护方式之下，80286可直接访问16兆字节的内存。此外，80286工作在保护方式之下，可以保护操作系统，使之不像实模式或8086等不受保护的微处理器那样，在遇到异常应用时会使系统停机。
1985年10月17日，英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了，80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，其后又提高到20MHz、25MHz、33MHz等。80386DX的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟模式的工作方式，可同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。
1989年，英特尔发布了486处理器。80486也是英特尔第一个内部包含数字协处理器的CPU，并在x86系列中首次使用了RISC(精简指令集)技术，从而提升了每时钟周期执行指令的速度。486还采用了突发总线方式，大大提高了处理器与内存的数据交换速度。由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协处理器的80386快了4倍有余。
到了1985年，Intel 推出了80386但并没有引起IBM 的足够重视，反而是 Compaq 率先采用了它。可以说，这是PC厂商正式走“兼容”道路的开始，也是AMD等CPU 生产厂家走“兼容”道路的开始和32位CPU的开始，直到今天的P4和K7依然是32位的CPU（局部64位）。
1989 年，80486 横空出世，它第一次使晶体管集成数达到了 120 万个，并且在一个时钟周期内能执行2条指令。
1993年，全面超越486的新一代586 CPU问世，为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰，英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。早期的奔腾75MHz～120MHz使用0.5微米的制造工艺，后期120MHz频率以上的奔腾则改用0.35微米工艺。
1995年秋天，英特尔发布了Pentium Pro处理器。Pentium PRO是英特尔首个专门为32位服务器、工作站设计的处理器，可以应用在高速辅助设计、机械引擎、科学计算等领域。英特尔在Pentium PRO的设计与制造上又达到了新的高度，总共集成了550万个晶体管，并且整合了高速二级缓存芯片。
1997年英特尔发布了Pentium II处理器。其内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX 指令集技术，可以更快更流畅的播放影音Video，Audio以及图像等多媒体数据。英特尔第一次在PentiumⅡ中采用了具有专利权保护的Slot 1接口标准和SECC(单边接触盒)封装技术。
2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户使用基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。
2005年春，Intel正是发布第一款家用的桌面双核cpu- Pentium D805，自此，人们的生活开始进入双核时代。
2006年7月，Intel正式宣布推出采用Core微架构的Conroe桌面级双核心处理器，并于2006年7月27日正式上架销售。Conroe处理器分为两大系列：Core 2 Duo和Core 2 Extreme。首批上市的产品共有5款，其型号分别为：Intel Core 2 Duo E6300、Intel Core 2 Duo E6400、Intel Core 2 Duo E6600、Intel Core 2 Duo E6700和最为顶级的Intel Core 2 Extreme X6800。
二、CPU的技术进步
1、同时多线程
同步多线程（SMT）是一种在一个CPU 的时钟周期内能够执行来自多个线程的指令的硬件多线程技术。本质上，同步多线程是一种将线程级并行处理（多CPU）转化为指令级并行处理的方法。同步多线程是单个物理处理器从多个硬件线程上下文同时分派指令的能力。同步多线程用于在商用环境中及为周期/指令（CPI）计数较高的工作负载创造性能优势。处理器采用超标量结构，最适于以并行方式读取及运行指令。同步多线程使您可在同一处理器上同时调度两个应用程序，从而利用处理器的超标量结构性质。
在一个程序里面通常有两种并行：指令级并行和线程级并行。线程级的并行有更高的层次, 一个程序由一组并行执行的任务组成。以往 CPU 结构挖掘应用程序的并行度往往只从某一种并行入手, 最好的解决办法就是开发全方位的并行度。
SMT 技术提高了功能部件的利用率, 从而获得高指令吞吐率和加速比。处理器为各个线程动态分配资源, 为功能部件的高利用率提供了可能。如果某个进程有较高的指令级并行度, 这种特性可以得到满足；如果多个进程中每个的ILP都较低，多线程并行执行就会补偿这种指令级并发度的缺陷。这样, SMT从水平和垂直两个方向覆盖了运算资源的浪费。优化取指及发射策略是SMT的关键技术之一。
SMT获得高性能的关键是：
a 优化发射策略：由此获得高功能部件利用率，进而得到高指令吞吐率。
b 优化存储子系统，提供有效的策略来保证数据的供应。
（1）取指策略
SMT的取指部件利用各个线程竞争取指带宽来提高性能。首先，SMT在各个线程间分配取指带宽。其次，处理机每周期可以从两个以上的线程取指，这样提高了只取有用指令的可能性。再次，当取指部件能找到知道应该到哪个线程取值的时候，就可以去那些可以立即提升性能的线程取指。
选择取指线程的简单策略：指令计数反馈把高优先权分配给那些在译码、重命名和队列站台的执行指令数最少的线程。这种策略的性能高而硬件资源的耗费却很低。指令计数只需要一小部分的附加逻辑，在线程进入译码站台（退出发射队列）时增加（减少）每个线程的计数器，然后选取最小值的线程取指令，发射执行。
（2）发射策略
发射策略有许多种，如完全同步发射、Single Issue/Dual Issue/Four Issue、有限对应。Cache组织的优化是SMT的另一个关键技术。
SMT只有获得了更高的功能单元利用率，才能提高指令的吞吐率。要实现这一目标，对存储器的层次结构提出了挑战。多线程对Cache提出了更高的要求，由于要获得指令吞吐量，就需要和运算能力相匹配的持续的指令流，因此Cache系统可能成为最大的瓶颈。
2、AMD64位技术
这里的64位技术是相对于32位而言的，这个位数指的是CPU 的数据宽度为64位，64位指令集就是运行64位数据的指令，也就是说处理器一次可以运行64bit数据。
64bit计算主要有两大优点：可以进行更大范围的整数运算；可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化，而简单的认为64bit处理器的性能是32bit处理器性能的两倍。实际上在32bit应用下，32bit处理器的性能甚至会更强，即使是64bit处理器，目前情况下也是在32bit应用下性能更强。所以要认清64bit处理器的优势，但不可迷信64bit。要实
现真正意义上的64位计算，光有64位的处理器是不行的，还必须得有64位的操作系统以及64位的应用软件才行，三者缺一不可，缺少其中任何一种要素都是无法实现64位计算的。 2009年6月24日，AMD公司在德国汉堡国际超级计算机大会上宣布，AMD皓龙·处理器继续为全球众多最高性能的超级计算机提供动力，包括排名前两位的超级计算机。
最新的Top500超级计算机名单中AMD皓龙·处理器的亮点包括：
· AMD皓龙处理器连续第三次为排名第一的"走鹃"超级计算机提供动力。
·前20强超级计算机中有9台使用了AMD处理器，超过其它任何处理器供应商。
·前10强超级计算机中有4台使用了AMD处理器。
·有20台Cray超级计算机使用了AMD皓龙·处理器，其中6台排名在前25位。
3、微处理器技术
未来10年研究微处理器的新结构、新工艺和新材料已成当务之急。
高性能微处理器在经历了CISC、RISC的发展过程之后, 已过渡到优化超标量和新型 VL IW结构。通过提高软硬件复杂度，解决了单线程应用指令级并行性问题。下一步则是向加速单线程应用和加速多线程应用两个方向发展。体系结构对微处理器来说至关重要。近几年，国外学术界和工业界正在寻求新的体系结构，以适应新的市场和不断变化的应用需求。
SMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或 Cache 未命中带来的访问内存延时。当没有多个线程可用时，SMT处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。SMT 最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。这对于桌面低端系统来说无疑十分具有吸引力。
三、CPU发展趋势
1、VT虚拟化技术
随着09年2月，新一代操作系统Windows 7测试版的发布，这项技术才被重新挖掘出来，并且被消费者广为了解。这项技术就是虚拟化技术。其实我们所提到的Windows 7系统下的虚拟化系统，也仅在高级至旗舰版本才提供了，并不是所有的版本都提供了这一技术。使用虚拟化系统运行的IE6.0浏览器，其实要说虚拟化的用途，对企业级用户来讲实质性较强，对于普通用户来讲，虚拟化的用途目前还并没有被广泛开发。在企业级用户那里，通过虚拟化系统，企业可以集中并且共享资源，实现降低成本、优化利用率的目的。根据intel 的资料，intel虚拟技术的实现需要同时具有处理器、芯片组、BIOS、VMM软件的支持，这些特定的平台软件必须全部到位。同时性能方面要视不同的硬件和软件平台而定，intel虚拟技术支持的BIOS和VMM程序现在正在开发之中。据我们所知，现在还没有支持虚拟技术的VMM软件，所以即使你买了一款支持VT技术的CPU，你还要等待Intel放出VMM软件才能使用上VT技术。同时还要等主板厂商放出VMM支持的BIOS（或者保证使得现有的主板BIOS 支持虚拟技术）。
2、处理器高度集成化、性能更强
英特尔酷睿i处理器在传统的处理器构架中，处理器基板上仅仅只有一个单独的处理器芯片。而2010年发布的英特尔酷睿i系列处理器，首次在处理器的基板上集成了显示核心。
这项技术表面上看起来并没有特别之处，但是对于笔记本产品来说，意味着高度集成化的处理器，可以把笔记本产品设计的更加轻薄。同时一些搭配独立显卡的机型，可以智能的进行双显卡的切换，解决了笔记本性能和电池续航之间的矛盾。在英特尔酷睿i系列处理器中，除了英特尔 i3系列处理器以外。众多的英特尔酷睿i系列处理器，都支持睿频加速技术，这项技术可以自动检测系统处理负载，而自动判断是否需要自动提升频率，来加快系统的响应速度。当然睿频加速并不是无限制的加速，也是有一定的频率限制。
3、笔记本电脑的CPU变速技术
笔记本电脑受到电池供电的限制，不得不早早地考虑节能的问题。
在Intel推出Pentium III移动版处理器时，率先在CPU中采用了SpeedStep技术。采用SpeedStep技术的处理器会自动判断任务强度，以便自动调节CPU的工作频率和工作电压。第一代SpeedStep只有全速和最低速两种工作状态，如Pentium III 650MHz移动版CPU，全速工作时频率为650MHz，工作电压为1.6V，功耗为14.4W；当进入最低速的SpeedStep 工作模式后工作频率降低为500MHz，工作电压也降到了1.35V，功耗只有7.9W，几乎节能了一半。很快Intel又推出了第二代SpeedStep技术，CPU的可以自动选择更多档次运行频率适合不同的工作环境。目前Intel的这项技术已经发展为增强型SpeedStep技术，可自动大范围调节处理器频率和电压，应用于Pentium M型笔记本处理器中。同时Intel也认识到这项技术在台式机上的优势，目前已经在3.40 GHz以上Xeon处理器中采用增强型SpeedStep 技术。
4、超线程和Turbo Boost动态加速技术
睿频加速技术是基于Nehalem架构的电源管理技术，通过分析当前CPU的负载情况，智能地完全关闭一些用不上的核心，把能源留给正在使用的核心，并使它们运行在更高的频率，进一步提升性能；相反，需要多个核心时，动态开启相应的核心，智能调整频率。这样，在不影响CPU的TDP情况下，能把核心工作频率调得更高。
超线程技术，最早出现在2002年的Pentium 4上，它是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。基于Nehalem架构的Core i7再次引入超线程技术，使四核的Core i7可同时处理八个线程操作，大幅增强其多线程性能。超线程技术只需要消耗很小的核心面积代价，就可以在多任务的情况下提供显著的性能提升，比起完全再添加一个物理核心来说要划算得多。比起Pentium 4的超线程技术，Core i7的优势是有更大的缓存和更大的内存带宽，这样就更能够有效的发挥多线程的作用。按照的说法，Nehalem的HT可以在增加很少能耗的情况下，让性能提升20-30%。
随着宏碁Iconia笔记本的发布，一下打破了我们对于传统笔记本的定义。而传统物理键盘的消失使得笔记本在用户体验方面更近一层。而物理键盘的消失，我们大可不必担心。虚拟键盘的加入使得笔记本，在文字输入方面不会存在任何问题，只不过没有物理键盘那样的手感了，这也是笔记本变革的“阵痛”。
纵观CPU的发展历程、技术进步和发展趋势，这是一个继承和发展并存的进化过程。人们对CPU的要求永无止境，所以这种发展还将继续下去。对于我国在CPU方面的发展与世界先进水平还有一定的差距，政府可以给优惠政策并且大力鼓励企业在这方面有所突破，相信有了优惠政策，就会有大量的资金流入，不断提高我国在CPU方面的技术水平。
参考文献
[1]袁静波，丁顺利，宋欣，王和兴.计算机组成与结构 [M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]在32和64位的马路上奔跑[N].网络世界.2004-11-15(017).
[3]关于CPU发展史[DB/OL].https://www.doczj.com/doc/093062450.html,/view/170613.htm
[4]关于微处理器[DB/OL].https://www.doczj.com/doc/093062450.html,/view/1125.htm
[5]关于CPU现状及发展趋势[DB/OL].
https://www.doczj.com/doc/093062450.html,/view/b90b7c343968011ca3009145.html
[6]计算机CPU技术应用与研究[DB/OL].https://www.doczj.com/doc/093062450.html,/p-853*********.html
微程序控制器的设计与实现
目录 1设计目的 (3) 2设计内容 (3) 3具体要求 (3) 4设计方案 (3) 5 调试过程 (11) 6 心得体会 (12)
微程序控制器的设计与实现 一、设计目的 1)巩固和深刻理解“计算机组成原理”课程所讲解的原 理，加深对计算机各模块协同工作的认识 2)掌握微程序设计的思想和具体流程、操作方法。 3)培养学生独立工作和创新思维的能力，取得设计与调 试的实践经验。 4)尝试利用编程实现微程序指令的识别和解释的工作 流程 二、设计内容 按照要求设计一指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。 三、设计要求 1)仔细复习所学过的理论知识，掌握微程序设计的思 想，并根据掌握的理论写出要设计的指令系统的微程 序流程。指令系统至少要包括六条指令，具有上述功 能和寻址方式。 2)根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微 程序 3)将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给 出测试思路和具体程序段 4)尝试用C或者Java语言实现所设计的指令系统的加 载、识别和解释功能。 5)撰写课程设计报告。 四、设计方案 1)设计思路 按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻
址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。从而可以想到如下指令：24位控制位分别介绍如下： XRD ：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。 EMWR：程序存储器EM写信号。 EMRD：程序存储器EM读信号。 PCOE：将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。 EMEN：将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR 和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是 从EM读出数据送到DBUS。 IREN：将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR 和微指令计数器uPC。 EINT：中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。 ELP： PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。 MAREN：将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。 MAROE：将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。 OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT 里。 STEN：将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。 RRD：读寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。 RWR：写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。 CN：决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。 FEN：将标志位存入ALU内部的标志寄存器。 X2：X1：X0: X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。具体如下： X2 X1 X0 输出寄存器 0 0 0 IN_OE 外部输入门 0 0 1 IA_OE 中断向量 0 1 0 ST_OE 堆栈寄存器 0 1 1 PC_OE PC寄存器
武汉华夏理工学院 课程设计课程名称计算机组成原理 题目模型机设计与实现 专业计算机科学与技术 班级计算机1165 姓名 成绩 指导教师田夏利 2018 年 1 月 8日 课程设计任务书
设计题目：模型机设计与实现 设计目的： 利用基本模型机的构建与调试实验，完整地建立计算机硬件的整机模型，掌握CPU的基本结构和控制流程，掌握指令执行的基本过程。 设计任务（在规定的时间内完成下列任务） 1.掌握CISC微控制器功能与微指令格式 2.设计五条机器指令,并编写对应的微程序 3.在TDN-CMA教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果 时间安排（集中时间） 1.第19周周一(1-4):全体集中讲解课程设计原理与方法 2.第19周周一～周四(1-4):分班调试，撰写设计报告 3.第19周周五：验收及答辩。 具体要求 1.周一：熟悉任务，掌握设备 2.周一：完成模型机的实验线路连接 3.周二：调试模型机，记录实验结果 4.周三：拟定课程设计报告大纲 5.周四、五：撰写并打印课程设计报告 目录 1.课程设计....................................... 错误!未定义书签。
课程设计题目...............................................错误!未定义书签。课程设计目的...............................................错误!未定义书签。实验设备...................................................错误!未定义书签。2概要设计....................................... 错误!未定义书签。原理.......................................................错误!未定义书签。数据通路框图...............................................错误!未定义书签。微指令格式.................................................错误!未定义书签。微程序流程图...............................................错误!未定义书签。微指令二进制代码表.........................................错误!未定义书签。实验步骤........................................ 错误!未定义书签。 实验接线图.............................................错误!未定义书签。 操作步骤...............................................错误!未定义书签。3实验过程....................................... 错误!未定义书签。输入数据...................................................错误!未定义书签。结果.......................................................错误!未定义书签。4设计总结....................................... 错误!未定义书签。设计体会...................................................错误!未定义书签。 1.课程设计 课程设计题目 基本模型机设计与实现
. 课程设计
. 教学院计算机学院 课程名称计算机组成原理题目4位乘法整列设计专业计算机科学与技术班级2014级计本非师班姓名唐健峰 同组人员黄亚军 指导教师 2016 年10 月 5 日
1 课程设计概述 1.1 课设目的 计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。 同时也巩固了我们对课本知识的掌握，加深了对知识的理解。在设计中我们发现问题，分析问题，到最终的解决问题。凝聚了我们对问题的思考，充分的锻炼了我们的动手能力、团队合作能力、分析解决问题的能力。 1.2 设计任务 设计一个4位的二进制乘法器： 输入信号：4位被乘数A（A1,A2,A3,A4）, 4位乘数B（B1,B2,B3,B4）, 输出信号：8位乘积q(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8). 1.3 设计要求 根据理论课程所学的至少设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统。 （1）制定设计方案： 我们小组做的是4位阵列乘法器，4位阵列乘法器主要由求补器和阵列全加器组成。 （2）客观要求 要掌握电子逻辑学的基本内容能在设计时运用到本课程中，其次是要思维灵活遇到问题能找到合理的解决方案。小组成员要积极配合共同达到目的。
2 实验原理与环境 2.1 1.实验原理 计算机组成原理，数字逻辑，maxplus2是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 用乘数的每一位去乘被乘数，然后将每一位权值直接去乘被乘数得到部分积，并按位列为一行每一行部分积末位与对应的乘数数位对齐，体现对应数位的权值，将各次部分积求和得到最终的对应数位的权值。 2.2 2.实验环境 2.2.1双击maxplu2II软件图标，启动软件 （1）.新建工程，flie->new project ....，出现存储路径的选项框，指定项目保存路径并且为工程命名，第三行设置实体名，保持与工程名一致。点击OK
计算机组成原理课程设计报告 课程设计题目：计算机组成原理 专业名称：计算机科学与技术班级： 2013240202 关童：201324020217 张一轮：201324020218 孙吉阳：201324020219 张旭：201324020220 老师姓名：单博炜 2015年12月31日
第一章课程设计概述 1.1 课程设计的教学目的 本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识 无条件转移)，其指令格式如表1(前4位是操作码)： 表1： IN为单字长(8位)，含义是将数据开关8位数据输入到R0寄存器；ADD为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将R0寄存器的内容与内存中以A为地址单元的数相加，结果放在
R0；STA为双字长指令，含义是将R0中的内容存储到以第二字A为地址内存单元中；OUT为双字长指令，含义是将内存中以第二字为地址的数据读到数据总线上，由数码管进行显示；JMP是双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。 为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了三个控制台操作微程序：存储器读操作”(KRD):拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“00”时，按START 微动开关，可对RAM进行连续手动读操作；存储器写操作(KWE)：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“01”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写入;启动程序：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“11”时，按START微动开关，即可转入第01号“取指”微指令，启动程序运行。这三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表2：表2： C字段： 按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图2所示，当拟定“取值”微指令时，该微指令的判
计算机组成原理课程设计 一、基本要求：设计一台模型计算机 具体内容： 1. 数据格式和指令系统 2. 数据通路 3. 时序系统 4. 微指令格式 5. 微程序控制器 6. 微程序流程图 7. 微程序代码表 二、模型机设计 1. 数据格式和指令系统的约定 1) 数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 其中: 第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤X＜1。 2) 指令系统 模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令（9条）、I／O指令（4条）、访内及转移指令（2条）和停机指令（1条）。 因为指令系统共16条指令，所以操作码是4位。 由于模型机机器字长为8位，故设计单字长指令和双字长指令供使用。 (1) 算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式。
(2) 访内指令及转移指令 模型机设计2条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)，2条转移指令，即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)，指令格式为： 7 6 5 4 3 2 1 0 其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，X为寻址方式，其定义如下： (3) 输入输出指令 格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 其中，addr=01 时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码快作为输出设备。 (4) 停机指令 格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 这类指令只有一条，即停机指令HALT (5) 模型机指令系统
信息与电气工程学院 《计算机组成原理》课程设计报告
一、课程设计的目的 《计算机组成原理》课程设计是与课程配套开设的实践环节。通过本课程设计，使学生进一步的理解计算机组成原理课程讲授的相关内容，包括计算机的各大部件及工作原理，计算机对机器语言的支持和理解方法，计算机整机工作原理和控制方法，以及CU设计的基本方法等等，进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；锻炼计算机硬件的设计能力、调试能力；培养严谨的科学实验作风、良好的工程素质及团队协作精神，为今后的工作打下基础。 二、课程设计的内容 基于DAIS-CMH+实验台，设计并实现一个能够支持5至10条机器指令的微程序结构CU，并利用该指令系统的指令编写机器指令程序，通过调试观察模型机执行机器指令程序的过程和结构，验证CU设计的正确性。 三、课程设计的要求 (1)认真阅读模型机设计说明，了解设计内容，做好设计准备。 (2)完成模型机的硬件电路连接，绘制硬件结构框图。 (3)完成指令的微操作序列分析，画出微程序流程图，根据微指令格式，填写码点，编写微程序，完成微程序结构的CU设计。 (4)设计并编写机器指令测试程序。 (5)能够熟练的运用调试方法，修正微程序设计中存在的问题，验证机器指令执行的正确性。 (6)根据设计的实施过程，认真完成课程设计报告。 四、模型机设计总结 4.1 硬件结构框图与主要硬件模块说明
图1 实验台硬件布局图 ①缓冲输入模块: 控制信号 SW-B,控制输入信号从开关部件输入到总线。 注意：总线没有锁存能力，如果该信号关闭，则数据立刻丢失，总线上数据变为FFH。 ②地址总线模块：控制信号LDAR,控制数据（地址信号）从总线打入地址寄存器(AR)。 ③内存模块：控制信号 WR,内存的读/写控制信号，配合控制信号CE,内存的片选信号，对内存进行读/写操作。CE = 1,WR = 1，进行内存写操作；CE = 1, WR = 0, 进行内存读操作。 ④锁存输出模块：控制信号 LDED,控制数据从总线打入输出模块的锁存器，通过LED灯进行显示。 ⑤寄存器组：两组控制信号,控制数据从总线输入Ri的控制信号- LDR0,LDR1和LDR2；控制数据从寄存器Ri送到总线上的控制信号R0-B,R1-B,R2-B。 ⑥数据总线模块，这个模块没有控制信号，就是个显示模块，显示当前总线上的数据情况。
课程设计报告 课程名称：计算机组成原理 题目名称：复杂模型机的设计与实现 专业名称：计算机科学 18 学生姓名：李佩霖 同组人：聂铭 指导老师：单博炜 完成时间：2014年12月29日至2014年12月31日 目录 第一章课程设计概述 1.1课程设计的教学目的 1.2课程设计任务和基本要求 第二章规定项目的实验验证 2.1任务分析以及解决方案 2.2设计原理 第三章指定应用项目的设计实现
第四章收获和体会 第一章课程设计概述 1.1 课程设计的教学目的 综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机。 1.2 课程设计任务和基本要求 在模型机上实现如下运算：从IN单元读入一个数据，根据读入数据的低四位值X，求对应X值的1+2+3+···的整数序列的累加和，X为序列的长度。 要求使用实验机上的复杂模型机设计实验上的数据格式和指令格式、数据通路、微程序流程图设计微程序，并通过手动和联机输入完成实验验证。 第二章规定项目的实验验证 2.1任务分析以及解决方案 考虑到实验任务为计算数的序列的累加和，所以实验过程应该为： 1.学习并掌握微指令的结构以及运算方式。 2根据实验机数据通路的原理框图在实验机上连接线路。 3手动和联机向实验机打入微程序，运行并验证。 2.2设计原理 如图1为模型机数据通路原理框图，图2为微程序流程图。 图1 图2 关于数据格式，模型机规定采用定点补码表示法表示数据，数据字长为8位，8位全部用来表示数据。 关于指令格式，模型机设计3大指令共15条，其中包括运算类指令、控制转移类指令、数据传送类指令。运算类指令包含3种，算术运算、逻辑运算、一位运算，设计有6条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类指令均为单字节指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有3条，分别为：HLT、JMP、BZC。数据传送类指令有：IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA。
计算机组成原理课程设计 报告 指导教师： 班级： 姓名： 学号：
一、目的和要求 1.实验目的： 深入了解计算机各种指令的执行过程，以及控制器的组成，指令系统微程序设计的具体知识，进一步理解和掌握动态微程序设计的概念；完成微程序控制的特定功能计算机的指令系统设计和调试。 2、实验要求： 要进行这项大型实验，必须清楚地懂得： （1）TEC-2机的功能部件及其连接关系； （2）TEC-2机每个功能部件的功能与具体组成； （3）TEC-2机支持的指令格式； （4）TEC-2机的微指令格式，AM2910芯片的用法； （5）已实现的典型指令的执行实例，即相应的微指令与其执行次序的安排与衔接； （6）要实现的新指令的格式与功能。 二、实验环境 PC机模拟TEC-2机 三、具体内容 一、实验内容： 选定指令格式、操作码，设计如下指令： （1）把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相减，结果存于内存单元ADDR3中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2， ADDR3 四字指令（控存入口100H） 功能： [ADDR3]=[ADDR1]-[ADDR2] （2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。 指令格式：E0 DR SR，ADDR （SR，DR源、目的寄存器各4位）双字指令（控存入口130H） 功能： DR=SR+ [ADDR] （3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。 指令格式：E5 DR SR，ADDR 双字指令（控存入口140H） 功能： if DR==SR goto ADDR else 顺序执行。 设计：利用指令的CND字段，即IR10~8，令IR10~8=101，即CC=Z 则当DR==SR时Z=1，微程序不跳转，接着执行MEM PC（即ADDR PC） 而当DR!=SR时Z=0，微程序跳转至A4。 二、实验要求： （1）根据内容自行设计相关指令微程序；（务必利用非上机时间设计好微程序） （2）设计测试程序、实验数据并上机调试。 （3）设计报告内容：包括1、设计目的2、设计内容3、微程序设计（含指令格式、功能、设计及微程序） 4、实验数据（测试所设计指令的程序及结果）。（具体要求安最新规范为准） （4）课程设计实验报告必须打印成册，各班班长收齐大型实验报告于18周星期六下午（15：00）前，交张芳老师办公室。 四、实验程序与分析： （一）.把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相减，结果存于内存单元ADDR3中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2， ADDR3 四字指令（控存入口100H）
理工学院 本科课程设计 课程设计题目:具有存储器变址寻址及逻辑运算功能的复杂模型机的设计学生姓名： 学号： 1J:计算机学院 系另 专业班级：指导教师姓名:
目录 主要内容： 1. 课程设计目的 2. 所用的设备及软件： EL-J Y-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干 3. 课程设计的基本工作原理 4. 课程设计的详细设计 5. 课程设计的调试、运行步骤 6. 课程设计的运行结果 7. 课程设计的心得体会 8. 回答问题。
课程设计题目: 题目5:具有存储器变址寻址及逻辑运算功能的复杂模型机的设计运行SUC R0,R1 时，讨论有进位和无进位两种情况。 1. 课程设计目的 《计算机组织与体系结构》课程设计是计算机科学与技术专业本科学生在学习完 《计算机组织与体系结构》课程之后的一个重要的实践环节。要求学生在教师的指导下，综合运用已学过的《计算机组织与体系结构》中的各种知识和技能，独立完成一项较为完整、并具有一定难度的课程设计任务。使学生初步掌握用微程序控制器控制模型机的数据通路，进一步学习模型机系统设计与实现。 2. 所用的设备及软件： EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干,,。 3. 课程设计的基本工作原理 1 ?数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下： 其中第7位为符号位，数值表示范围是：-2 7 计算机组成原理课程设计报告 班级：06计算机 6 班姓名：李凯学号：20063007 完成时间：2009年1月3日 一、课程设计目的 1．在实验机上设计实现机器指令及对应的微指令（微程序）并验证，从而进一步掌握微程序设计控制器的基本方法并了解指令系统与硬件结构的对应关系； 2．通过控制器的微程序设计，综合理解计算机组成原理课程的核心知识并进一步建立整机系统的概念； 3．培养综合实践及独立分析、解决问题的能力。 二、课程设计的任务 针对COP2000实验仪，从详细了解该模型机的指令/微指令系统入手，以实现乘法和除法运算功能为应用目标，在COP2000的集成开发环境下，设计全新的指令系统并编写对应的微程序；之后编写实现乘法和除法的程序进行设计的验证。 三、课程设计使用的设备（环境） 1．硬件 ●COP2000实验仪 ●PC机 2．软件 ●COP2000仿真软件 四、课程设计的具体内容（步骤） 1．详细了解并掌握COP 2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现该模型机指令系统的特点： COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：运算器ALU、 累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。 模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。相比而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。 模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。24位控制位分别介绍如下： XRD ：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。 EMWR：程序存储器EM写信号。 EMRD：程序存储器EM读信号。 PCOE：将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。 EMEN：将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。 IREN：将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。 EINT：中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。 ELP： PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。 MAREN：将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。 MAROE：将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。 OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。 STEN：将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。 RRD：读寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。 RWR：写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。 课程设计说明书计算机组成原理课程设计 院系：计算机科学与工程学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 2014年12月26日 安徽理工大学课程设计（论文）任务书 2014年12月1日 安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 摘要 计算机组成原理课程设计课题是基本模型机的设计与实现。利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程设计，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。本次设计完成了相关指令的格式以及编码的设计，实现了机器指令微代码，完成具有一定功能的程序。 本次课程设计的题目是输入一个16位的数，对其进行循环左移。通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。首先向存储器中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。另外，还需设计微程序：本课程设计要求实现机器指令：MOVV（传送）,RU（输入),HUO（逻辑或），JIA（加法运算），JIAC(带进位的加法),TZ(判断A寄存器里的内容是否为零)，TIAO(跳转)。以上各微指令设计完毕后，用设计好的指令实现逻辑运算，连接线路在CPTH计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。 本次课程设计偏重于对计算机工作的原理和计算机微机的指令系统学习和深入的了解。对以后的学习打下一个好的基础。这一课题的实现不仅使我们对各种微指令有了熟练的掌握，更对以后的学习、工作中有深远的影响。 关键词：微指令，机器指令，循环左移 目录 1原理介绍 (1) 1.1 cpu功能与原理 (1) 1.2指令周期 (1) 1.3微程序控制 (1) 1.4微程序控制原理 (2) 1.5微程序控制器 (2) 2实验环境介绍 (3) 2.1设计背景分析 (3) 2.2设计目的与要求 (5) 3 系统设计 (6) 3.1.不带进位的循环左移 (6) 3.2机器指令集的编写与功能 (6) 3.3程序系统分析 (7) 3.4程序微指令分析 (8) 3.5实验结果 (10) 4 实验总结 (13) 4.1 设计体会 (13) 4.2 系统改进 (13) 5 参考文献 (14) 课程设计报告 课程设计名称：计算机组成原理 系： 学生姓名： 班级： 学号： 成绩： 指导教师： 开课时间：2011-2012学年2 学期 一、设计题目 计算机组成原理课程设计——简单模型机的微程序设计 二、主要内容 通过课程设计更清楚地理解下列基本概念： 1．计算机的硬件基本组成； 2．计算机中机器指令的设计； 3．计算机中机器指令的执行过程； 4．微程序控制器的工作原理。 5．微指令的格式设计原则； 在此基础上设计可以运行一些基本机器指令的微程序的设计 三．具体要求 1.通过使用作者开发的微程序分析和设计仿真软件，熟悉介绍的为基本模型机而设计的微程序的执行过程。必须充分理解并正确解释下些问题： （1）微程序中的微指令的各个字段的作用。哪些字段是不译码的，哪些字段是直接译码的，哪些字段又可以看成是字段间接编码的。 （2）微程序中的微指令是否是顺序执行的，如果不是，那么次地址是如何产生的。什么情况下，次地址字段才是将要执行的微指令的地址。 （3）在微程序中如何根据机器指令中的相关位实现分支，据此， 在设计机器指令时应如何避免和解决与其它指令的微指令的微 地址冲突。 （4）哪些微指令是执行所有指令都要用到的。 （5）解释一条机器指令的微程序的各条微指令的微地址是否连续？这些微指令的微地址的安排的严重原则是什么？ （6）为什么读写一次内存总要用两条微指令完成？ （7）机器程序中用到的寄存器是R0，是由机器指令中哪些位决定的？如果要用R1或R2，是否要改写微程序或改写机器指令？如果要，应如何改写？ 2.在原有5条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试设计相应的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令。新增加的机器指令的功 《计算机组成原理》 课 程 设 计 报 告 院系名称计算机科学与工程学院 班级 姓名 学号 指导教师 题目一 1. 问题描述 设计一个具有加法和直接寻址方式的模型机 （1）设计内容： 设计一台具有输入、输出、加法、存储和跳转功能的模型计算机，并写出工作程序和测试数据验证有设计的指令系统。 （2）设计要求： 所设计模型计算机的指令系统共包含五条机器指令：IN（输入）、OUT（输出）、ADD （加法）、STA（存数）、JMP（无条件转移）。STA和JMP为直接寻址。 2. 题目分析及设计原理 通过IN单元输入数据送R0寄存器，然后寄存器和自身相加，再将结果保存到存储器并送OUT单元显示出来，最后无条件跳转，又重复执行。 结合数据通路图设计指令。 数据通路图 注意读写逻辑控制信号的控制。读写控制逻辑如下： 3.指令设计及编码 模型机的指令系统及指令格式如下： 助记符机器指令码说明 IN RD,P XXXX XX RD p IN->RD ADD RD,RS,D XXXX RS RD RS+RD->RD STA M D,RD XXXX M RD D R0->E OUT P,RS XXXX RS XX P RS->LED JMP M D XXXX M XX D E->PC 指令格式为： 指令编码为： ;//************Start Of Main Memory Data******// $P 00 20 ;START:IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ;ADD R0,RO 和自身相加，结果送 $P 02 10 ;STA 将结果存入主存 $P 03 80 ;OUT R0 输出结果 $P 04 E0 ;JMP START 跳转到00单元 $P 05 00 $P 06 50 ;HLT 停机 ;//************End Of Main Memory Data******// 4.微指令设计及编码 微指令格式 23 22 21 20 10 18-15 14-12 11-9 8-6 5-0 M23 CN WR RD IOM S3-S0 A字段B字段C字段MA5-MA0 微指令数据流程图 计算机组成原理课程设计 题目：计算机原理课程设计 学院：计算机科学与工程学院 专业：计算机科学与技术 姓名：孤狼 学号：1100310315 指导教师： 2014年03月20 日 目录 一.课程设计选题和完成内容 (2) 二、系统的总体设计 (2) 2.1 嵌入式CISC模型机的数据通路框图 (2) 2.2 系统的操作控制器的逻辑框图 (2) 2.3模型机的指令格式 (3) 2.4编写汇编源程序 (5) 2.5最终机器码 (5) 三、时序产生器 (5) 四、微程序控制器的设计 (6) 4.1设计微指令流程图 (6) 4.2 设计微指令格式和微指令代码表 (8) 4.3设计地址转移逻辑电路 (10) 五、单元电路设计 (10) 5.1模型机顶层电路设计 (11) 5.2模型机crom单元电路设计 (12) 六、设计过程所遇到的问题及解决记录136.1JNS无法完成循环跳转 (13) 6.2STO（STO R2 (R0) ）存储位置每次都为00H (13) 七、测试及结果分析 ................................................................................... 错误!未定义书签。 八、心得体会总结 (16) 九、附录 (16) 各个单元的电路设计或VHDL源文件 一.课程设计选题和完成内容 选题：本设计选择题目为A类第一题 题目：设计一台嵌入式CISC模型计算机 采用定长CPU周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下： A类（最高成绩为“优”）： ●输入包含5个整数（有符号数）的数组M，输出所有负数的平方和。（非卓越班） ●输入包含5个整数（有符号数）的数组M，输出最大负数的绝对值。（非卓越班） ●输入包含10个整数（无符号数）的数组M，输出众数（出现次数最多的数）及其出现的次数。（卓越班） ●输入包含10个整数（无符号数）的数组M，输出中位数。（卓越班） 说明：A类题目的嵌入式模型计算机内必须设计和使用RAM存储器读写数据，相应地需要设计对RAM存储器数据的读写指令，以及对RAM中数组操作必须的寄存器间接寻址方式等。 B类（最高成绩为“良”）： ●输入5个整数（有符号数），输出所有负数的平方和。（非卓越班） ●输入5个整数（有符号数），输出最大负数的绝对值。（非卓越班） ●输入5个整数（有符号数），输出它们的平均值，以及小于此平均值的数的个数。（卓越班） 要完成的内容： 1.完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图； 2.设计微程序控制器（CISC模型计算机）的逻辑结构框图； 3.设计机器指令格式和指令系统； 4.设计时序产生器电路； 5.设计所有机器指令的微程序流程图； 6.设计操作 7.的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件--图形描述文件） 8. 对模型机中控制器单元； 设计模型机的各个部件进行编程，并使之成为一个统一的整体，即形成顶层电路。 9.由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序； 9.根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序，并将其设计 到模型机中的ROM中去； 10.使用EDA软件进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求；（其中要利用EDA软 江苏大学计算机组成原理课程设计报告 专业名称：网络工程 班级学号：3130610031 学生姓名：张杰 指导教师：胡广亮 设计时间：2013年6月24日—2013年7月2日 第一天：熟悉微程序的设计和调试方法 一、设计目标 1、掌握微程序的设计方法 2、熟悉利用调试软件运行、调试微程序的方法 二、操作提示 1、连接实验设备 注意：请在断电状态下连接调试电缆。 2、下载FPGA配置数据 从课程网站下载CPU.sof等文件，使用Quartus II Programmer 软件将CPU.sof下载到FPGA。 3、输入微程序 利用调试软件将微程序写入控存，微程序如下。 取指令微程序 取源操作数为立即数的微程序 取目的操作数为寄存器寻址的微程序 MOV指令的微程序（目的数寄存器寻址） 4、输入调机程序 今天的将调机程序就是一条指令：“ MOV #0001H, R1”。首先将指令翻译成机器码，根 据指令的编码规则，该指令的编码是：0761 0001。然后利用调试软件将指令码写入主存，地址从主存的0030H开始。 5、调试微程序。 利用调试软件“Step”按钮控制微指令单步执行，执行结果如图 2.3所示 2.3 例2.1 MOV指令的单步运行跟踪数据 6、分析微程序的执行结果，一般方法如下： 首先分析微程序执行流程是否正确，根据前面指令微流程的设计，理论上该指令微程序 的执行顺序应该是001→002→003→004→00B→00F→016→006→018→007→031→02D→02E→000，通过调试软件的执行结果图 2.3可以看出，该指令微程序的微指令次序是正确的。 如果执行的微指令次序不正确，那就要分析原因，检查BM和NC设置是否正确、检查uAR 的各个输入信号的值是否正确，如IR、NA等。 然后分析指令的运行结果。理论上本条测试指令执行完后，R1的值应该是0001。通过 调试软件的执行结果图 2.3可以看出，指令执行结果是正确的。如果结果不对，就需要进一 步分析每一条微指令。分析的方法是针对微指令的每一条微命令，查看相应微操作前后相关模块的数据变化是否与指令微流程一致。下面举个例子说明如何分析每条微指令的。 图 2.3的微地址为000B（uAR＝000B）的控存单元所对应的内容为2008000F，即微指 令为2008000F，所代表的微操作是：PCoe，ARce，即PC的内容送IB、IB的内容送AR，理论上的正确结果应该是IB=0031， AR=0031；通过图 2.3的000B单元微指令的执行结果可 以看出，IB 的数据由上一条微指令的结果0000→0031, AR 的数据由上一条微指令的结果0030→0031，说明本条微指令执行结果是正确。 从上面的分析可以看出，要想检查运行结果是否正确，关键是要清楚理论上正确的结果 是什么。这就要求实验者对指令的微程序流程非常清楚，从而达到了理解计算机内部信息流动过程、掌握计算机工作原理的目的。所以实验者应重视实验数据的分析工作，否则就失去 计算机组成原理课程设 计报告 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256） 南通大学计算机科学与技术学院计算机组成原理课程设计 报告书 课题名模型计算机的设计与实现 班级计123班 姓名流星雪雨 学号 指导教师顾辉 日期 目录 1 设计目的 1．融会贯通教材各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，加深计算机工作中“时间-空间”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念。 2．学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计和调试的实践和经验。 2 设计内容 1．根据给定的数据格式和指令系统，设计一台微程序控制的模型计算机。 2．根据设计图，在QUARTUS II环境下仿真调试成功。 3．在调试成功的基础上，整理出设计图纸和相关文件，包括： （1）总框图（数据通路图）； （2）微程序控制器逻辑图； （3）微程序流程图； （4）微程序代码表； （5）设计说明书及工作小结。 3 设计要求 （1）对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的占领周期与操作序列，以便确定各器件的类型和数量； （2）设计总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所要求的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求； （3）检查全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号；（4）检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路，优化性能。以上过程可以反复进行，以便得到一个较好的方案。 4 数据格式与指令系统 数据格式 数据字规定采用定点整数补码表示法，字长8位，其中最高位为符号位，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 指令系统 本实验设计使用5条机器指令，其格式与功能说明如下： 7 6543210 IN ADD STA OUT JMP IN指令为单字长（字长为8bits）指令，其功能是将数据开关的8位数据输入到R0寄存器。 ADD指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将R0寄存器的内容与内存中地址为A的数相加，结果存放 基本模型机设计与实现 一．实验目的 1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识； 2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程； 3．学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM 的配置方法。 4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。 5．定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。 6．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。 实验课件参考：/CMPUT_EXPMT/E XPERIMENTS /E XPMT 6 / 实验6-1.PPT 实验示例参考：/CMPUT_EXPMT/Experiments/Expmt5 / DEMO_5_1_CPU 二．实验原理 1．在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU 从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。 2．指令格式 （1）指令格式 采用寄存器直接寻址方式，其格式如下： RAM 中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。 1,存储器读操作（KRD ）：下载实验程序后按总清除按键（CLR ）后，控制台SWA 、SWB 为“0 0”时，可对RAM 连续手动读入操作。 2,存储器写操作（KWE ）：下载实验程序后按总清除按键（CLR ）后，控制台SWA 、SWB 为“0 1”时，可对RAM 连续手动写操作。 3、启动程序（RP ）：下载实验程序后按总清除按键（CLR ）后，控制台SWA 、SWB 为“1 1”时，即可转入到微地址“01”号“取指令”微指令，启动程序运行。 根据以上要求设计数据通路框图，如图5-1所示。 表6-1 24位微代码定义： 表6-2 A 、B 、C 各字段功能说明： 24(1) uA5—uA0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。 (2) S3、S2、Sl 、S0：由微程序控制器输出的ALU 操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的某一种操作。 (3) M ：微程序控制输出的ALU 操作方式选择信号端。M ＝0执行算术操作；M ＝l 执行逻辑操作。 (4) Cn ：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn ＝0表示ALU 运算时最低位有进位，Cn ＝1则表示无进位。 (5)WE ：微程序控制器输出的RAM 控制信号。当/CE ＝0时，如WE ＝0为存储器读；如WE ＝1为存储器写。 (6) A9、A8——译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B 、RAM 、LED 的选通控制信号。 (7) A 字段（15、14、13）——译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号（见表6-1）。 (8) B 字段（12、11、10）——译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。 (9) C 字段（9、8、7） ——译码后产生分支判断测试信号P(1)~P(4)和LDPC 信号。 系统涉及到的微程序流程见图6-2。当执行“取指令”微指令时，该微指令的判断测试字段为P(1)测试。由于 图6-1 数据通路框图计算机组成原理课程设计报告完整版
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