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实践教案
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计算机与通信学院
2018年春季学期
计算机组成原理课程设计
题目：模型机设计-8
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
前言
本次课程设计主要讲授单处理机系统的组成和工作原理，包括运算器、存储器、控制器和输入输出系统，其中控制器的设计是课程的重点和难点。为了能融
会贯通各知识点，增强对计算机系统各模块协同工作的认识，充分理解数据通路，掌握控制器的设计技术，课程设计也侧重于控制器的设计。
开设这门课可以为理解、应用和开发程序提供技术和方法支持，为后续课程的学习提供重要思想和方法基础，同时对于自己逻辑思维培养和程序设计思想体系的建立有着重要的影响。学好《计算机组成原理》仅仅通过课堂教案或自学获取理论知识是远远不够的，还必须加强实践，亲自实践。在大学学习时，知识是通过一门门独立的课程传授的，而实际问题之能够顺利地得到解决，不但需要多方面的知识，而且还需要善于对这些知识综合地加以运用。这次课设正是给我们了一次自己动脑动手的机会。
目录
摘要1
正文2
第一章设计目的及原理2
第二章模型机的逻辑结构及框图2
第三章详细设计3
3.1 运算器的物理结构3
3.2 存储器系统的组成与说明5
3.3 指令系统的设计与指令分析5
3.4 微程序控制器的逻辑结构与功能8
3.5 微程序的设计与实现9
3.6 微程序与监控程序12
第四章系统调试报告14
设计总结16
参考文献17
致谢18
摘要
本次课程设计主要综合所学习的计算机组成原理的知识，设计一套复杂模型计算机。并设计一些简单的程序进行验证。本系统主要由以下模块组成：运算器、存储系统、微程序控制器模块、指令系统模块、微程序控制器模块等组成。应用存储系统说明输入输出时序，使用模型机的器件组成有片间串行进位8位算数逻辑运算的功能。该系统在基本模型机的基础上改进并实现输入﹑二进制加法﹑存数﹑输出以及无条件转移等指令的功能。对于微指令，可将其转化为格式化的“二进制代码表”，然后通过手动输入或是联机存入的方法，将微指令存入机器，实现相应的操作。终通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念。
关键词：模块；微指令；机器指令；基本模型机；建立整机
正文
第一章设计目的及原理
设计目的：根据计算机组成原理课程所学知识，设计、开发一套简单的模型计算机。通过对一个简单计算机的设计，以达到对计算机的基本组成、部件的功能与设计、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深计算机时间和空间概念的理解。
设计原理：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，如运算器实验中对74LS181芯片的控制，存储器中对存储器芯片的控制信号，以及几个实验中对输入设备的控制。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，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段微程序。
第二章模型机的逻辑结构及框图
本次课设模型机的运算器模块主要由运算器、暂存器、输出缓冲器以及进位控制和判零标志控制电路等构成。本系统具有本机现场直接编程功能，且由于选用 E2ROM 2816芯片为控制存储器，因此，具有掉电保护功能。
课设的复杂模型机指令译码逻辑图如图2.1，逻辑结构如图2.2。
图2.1 复杂模型机指令译码逻辑图
图2.2逻辑结构图
第三章详细设计
3.1 运算器的物理结构
运算器模块由运算器 <两片74LS181）、暂存器 <两片74LS273）、输出缓冲器 <74LS245）以及进位控制和判零标志控制电路等构成。
运算器模块的工作原理：该模块中算术运算是由74LS181 图3.1运算器的物理结构图 3.2 存储器系统的组成与说明 1.指令寄存器模块 指令寄存器模块中指令寄存器74LS273 2.主存储器单元电路 主存储器数据总线挂在扩展数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273 片选信号由写入方式确定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。 手动方式下，写信号由W/R` 提供，片选信号由CE`提供；自动方式下，写信号由控制CPU提供，片选信号由控制CPU提供。 3.移位寄存器模块 移位寄存器采用74LS299 3.3 指令系统的设计与指令分析 1、数据格式 复杂模型机采用7位定点补码表示法表示数据，字长8位，第7位为符号位。 2、指令格式 模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、存数指令、取数指令、转移指令和停机指令等。 ⑴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： 表3-1 算数逻辑指令格式 其中，OP—CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器。 9条算术逻辑指令的名称、功能。 ⑵访问指令及转移指令 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、有进位转移指令BZC。指令格式为： 表3-2 访问指令及转移指令 其中，OP—CODE 为操作码，RD为目的寄存器地址 ⑶I / O指令 输入IN和输出OUT指令采用单字节指令，其格式如下： 其中，addr=01时，选中输入数据开关组KD0～KD7作为输入设备，addr=10时，选中2位数码管作为输出设备。 本模型机共有16条基本指令。其中，算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表3.4列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 表3-4 复杂指令系统 R d→R d 4、微指令格式 表 3-5 24位微指令格式 表3-6 A、B、C字段解读 其中uA5~uA0为6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的P1~P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于“取指令”微指令，它用下址低四位 在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号，目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。 3.4 微程序控制器的逻辑结构与功能下图是微程序控制器的结构框图。它由控制存储器、微地址寄存器、微命令寄存器和地址转移逻辑几部分组成。微地址寄存器和微命令寄存器两者的总长度即为一条微指令的长度，二者合在一起称为微指令寄存器。 图3.2 微程序控制器的结构框图 1．控制存储器 ROM中存放微程序，也就是全部的微指令。ROM的容量取决于微指令的总数。假如控制器需要128条微指令，则微地址寄存器长度为7位。ROM的字长取决于微指令长度。如果微指令为32位，则ROM的字长就是32位。实际应用中ROM可采用EPROM或E2PROM、EAROM，用户写入和修改微程序比较方便。 2．微命令寄存器 微命令寄存器暂存由控制存储器中读出的当前微指令中控制字段与测试判别字段信息，可由8D寄存器组成。 3．微地址寄存器 微地址寄存器暂存由控制存储器读出的当前微指令的下址字段信息。它可由 带R D 、S D 强置端的D触发器组成。其中时钟端和D端配合用做ROM的读出打入， 用S D 进行下址修改。 4．地址转移逻辑 微指令由ROM读出后直接给出下一条微指令的地址，这个地址就放在微地址寄存器中。当微程序出现分支时通过地址转移逻辑去修改微地址寄存器内容，并按修改好的微地址读出下条微指令。地址转移逻辑是一个组合逻辑电路，其输入 是当前微指令的判别测试字段P i 、执行部件反馈的“状态条件”及时间因素T 4 。 5．控制时序信号 上图中标明了一个基本机器周期中的控制时序信号。例如用上一周期的T 4 时间按微地址寄存器内容从ROM中读一条微指令，经过一段时间后被读出，用当前 周期的T 1时间打入到微指令寄存器。T 2 、T 3 时间用来控制执行部件进行操作。T 4 时间修改微地址寄存器内容并读出下一条微指令。 3.5 微程序的设计与实现 用规整的存储逻辑代替不规则的硬接线逻辑来实现计算机控制器功能的技术。每一条指令启动一串微指令，这串微指令称为微程序。微程序存放在控制存储器中，修改控制存储器内容可以改变计算机的指令。 图中，从存储器中取一条机器指令送入指令寄存器，寄存器的输出接微程序控制器，由后者控制微程序的执行。通常，机器指令的操作码通过微程序控制器给出执行这条机器指令微程序段的首址，从控制存储器中取出此微程序段的第一条微指令存入微指令寄存器。一条微指令包含若干个微码域。各个微码域通过一定的译码控制各相应功能执行部件，在微指令周期内完成相应的各个微操作。微指令周期也称为微周期。微指令中一部分信息<微码域）也可反馈到微程序控制器，协同微指令执行后产生的状态信息和机器指令中除操作码以外的其他信息，通过微程序控制器去选取下一条微指令，从而控制微程序的流程相继执行这一段微程序而完成一条相应机器指令所要求的功能。把设计编制的各微程序段适当组合起来可形成一个微程序整体，控制器的功能就反映在这一整体中，所以微程序控制的物理结构很规整，而其功能设计方法又很灵活。 微程序运行流程图如图 3.3 图3.3 微程序流程图 表3-7 微指令2进制码表 在实验中必须结合本系统的各电路图，学会分析微指令24位代码中各位的作用。微指令控制字段各位<24~7位）的作用分析如下： 24~19 S3、S2、S1、S0 、M、Cn 16种算术运算及带进位情况、16种逻辑运算选择位；18 WE 外部写操作位，WE=0 无写操作，WE=1 有写操作；17、16 B1、B0 外部选择00 选输入装置；01 选主存；10 选输出；11 无操作。 3.6 微程序与监控程序 $ M00 088105 $ M01 82ED05 $ M02 50C004 $ M03 A0E004 $ M04 05B004 $ M05 06A205 $ M06 019A65 $ M07 0FE004 $ M08 8AED05 $ M09 8CED05 $ M0A 0EA004 $ M0B 018005 $ M10 011004 $ M11 83ED05 $ M12 87ED05 $ M13 99ED05 $ M14 9CED05 $ M15 1DA004 $ M16 1FA207 $ M17 218235 $ M18 238235 $ M19 018005 $ M1A 019A39 $ M1B 010000 $ M1C 418005 $ M1D 018005 $ M1E 018005 $ M1F 20882D $ M20 228805 $ M21 24881D $ M22 14841D $ M23 019805 $ M24 25E004 $ M25 26A007 $ M26 010A07 $ M27 81D104 设计复杂模型机的监控软件，详细如下： 地址内容助记符说明------------------------------------------------ 00 00 IN 输入2 01 10 SUB[0DH] R0-[0DH]->R0 03 0D 04 60 DEC R0-1->R0 05 30 OUT 输出R0 06 00 IN 输入3 07 70 RL 循环左移 08 20 STA[0EH] R0->[0EH] 09 0E 0A 30 OUT[0EH] 输出[0EH]的内容 0B 0E 0C 40 JMP 00H [00H]->PC 0D 00 监控程序 $P00 00 $P01 10 $P02 0A $P03 20 $P04 0B $P05 30 $P06 0B $P07 40 $P08 00 $P0A 01 第四章系统调试报告 地址内容助记符说明 ------------------------------------------------ 00 44 IN 输入41 01 04 STA[40H] 41->[40H] 02 40 03 44 IN 输入40 04 04 STA[41H] 40->[41H] 05 41 06 08 JMP 09H 跳到09H执行 07 09 08 60 HLAT 停机 ------------------------------------- 09 10 LDA[ LDA[40H] ] 0A 40 间址取到41H单元数 0B 58 OUT 输出40 -------------------------------------- 0C 46 IN 输入20->RI 0D 20 LDA[RI+D] 变址取40H单元数0E 20 0F 58 OUT 输出41 ------------------------------------ 10 30 LDA[PC+D] 相对寻址取41H单 元数 11 2F 12 58 OUT 输出40 ------------------------------------ 13 44 IN 输入81 14 F0 RLC 进位使CY 灯灭 15 0C BZC 有进位或为0时跳到18H执行 16 18 17 60 HLAT 停机 18 00 LDA[40H] 取40H单元数 19 40 1A 58 OUT 输出41 --------------------------------------------- 1B 44 IN 输入80 1C 58 OUT 输出80 1D B0 INC 加1 1E 58 OUT 输出81 ------------------------------------ 1F D0 COM 取反 20 58 OUT 输出7E ------------------------------------ 21 45 IN 输入0F 22 C1 AND 23 59 OUT 输出0E ------------------------------------- 24 81 MOV RS->RD 25 59 OUT 输出7E ------------------------------------- 26 70 CLR 0->RS 27 58 OUT 输出0 ------------------------------------- 28 44 IN 输入81 29 F0 RLC 带进位循环左移,CY灯灭 2A 58 OUT 输出3 2B 45 IN 输入1 2C 91 ADC 带进位加 2D 59 OUT 输出5 ------------------------------------- 2E 44 IN 输入81 2F E0 RRC 带进位循环右移 30 58 OUT 输出40,CY灯灭 31 45 IN 输入1F 32 A1 SBC 带进位减 33 59 OUT 输出20 基本模型机的设计与实现课程设计报告 https://www.doczj.com/doc/079843724.html,/maria87328/archive/2008/01/13/2041130.aspx 一、实验基本任务 1、由基本单元电路构成一台基本模型机。 2、设计五条机器指令，并编写相应的微程序。 3、调试指令和模型机使其在微程序的控制下自动产生各部件单元的控制信号正常工作。 二、设计方案 1、硬件设计 （1）设计微程序控制电路 微程序控制器的组成：控制存储器：EPROM2816*3，8D触发器74ls273*2，4D触发器74ls74*3；微指令寄存器格式：18位微指令，6位微地址。 （2）设计时钟信号源和时序控制电路 时钟信号源的组成：时基电路555，可触发单稳态多谐振荡器74ls237*2，输出频率为330-580Hz的方波信号。 时序控制电路：4D触发器74ls175*1组成移位寄存器电路。 （3）设计主存储器 主存电路的组成：6264存储器（8K*8位）*3，地址寄存器：74ls273*1，三态门：74ls245*1。 2、微控制设计 （1）实现存储器读操作； 拨动总清开关后，置控制开关SWC、SW A为“0 0”时，按要求连线后，连续按动“启动运行”开关，可对主存储器RAM连续手动读操作。 （2）实现存储器写操作； 拨动总清开关后，置控制开关SWC、SW A为“0 1”时，按要求连线后，再按动“启动运行”开关，可对主存储器RAM 连续手动写入。 （3）实现程序运行操作。 拨动总清开关后，置控制开关SWC、SW A为“1 1”时，按要求连线后，再按动“启动运行”开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。 建筑模型制作实验报告 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT 学生实验报告 （理工类） 课程名称：规划设计模型制作专业班级：城乡规划 学生学号：学生姓名： 所属院部：建筑工程学院指导教师：刘琰 2014——2015学年第 2 学期 金陵科技学院教务处制 实验项目名称：江宁校区总体规划模型制作实验学时：24学时 同组学生姓名： 实验地点：实验楼B203 实验日期：实验成绩： 批改教师：刘琰批改时间： 一、实验目的和要求 目的：1、学习利用规划模型分析总平面的布局 2、学习规划模型的制作方法 要求：在读懂图纸的基础上，通过对空间、功能、结构、环境、流线、体量、外观、平面到剖面、几何关系、基本形状、逻辑关系等方面进行总体分析， 理清建筑平面和空间的组成关系，理清建筑与道路的关系，最后完成规划 模型的制作。 二、实验仪器和设备 1．测绘工具 三棱尺(比例尺) 、直尺、三角板、弯尺 (角尺) 、圆规、游标卡尺、蛇尺等。 2．剪裁、切割工具 勾刀、刻刀、裁纸刀、角度刀(45o) 、切圆刀、剪刀、手锯、钢锯、电磨机、电热切割器等。 3．打磨喷绘工具 砂纸、锉刀、什锦锉、木工刨、台式砂轮机。 4.粘合剂 三、实验过程 第一次模型制作实验课在工科楼模型教室，之前老师在多媒体教室跟我们讲解了模型制作的工具，材料等基本知识，发任务书。 这一次在模型教室老师带我们参观了一下往届做的模型，看到学姐学长的作品时，感觉有点震惊，稍微有点不自信，但是在我们仔细参观与讨论我们自己组用的材料与制作流程后，我立马又斗志昂扬了起来。参观完往届作品后，我们确定小组成员，小组开始确定制作模型所需的材料，大致分配了任务，男生做模型，女生做细节部分。我们组的组员经过积极热烈的讨论，初步确定了地形，草，建筑的材料，地形采用灰色纸板，草为普通草皮，多数建筑为PVC板为骨架，少部分为泡沫，同时大概制定了制作流程与方案。 方案确定后，我们小组成员在第二天就全部出发去购买制作模型所需的材料，我们按着讨论后的清单购买，包括灰色的卡纸、厚泡沫板、薄木板、PVC板、树粉、树干，草皮，胶水等一系列材料。 感悟：在此次购买中，我们小组有着很激烈的讨论，虽然在昨天已确定好清单，但是到了店里发现我们考虑的还是不够周全。 第二次模型制作实验课我们通力合作，用木板做底将买来的厚泡沫板做第二层底，上面再铺一层厚的PVC板，层与层之间用双面胶与泡沫胶粘合。其实我们在黏板的事先并没想好用什么黏，我们是在仔细观察了其他的组用的粘合材料后经过比较后讨论决定的，这也算取长补短了。我们一边黏一边试试粘合的效果，感觉比较结实。然后用复写纸将打印好的cad 地形描到买好的灰色卡纸上，而我则负责将地形上的绿地剪出来，作为之后剪草皮的模板。这是一件费时费力的工作，因为老师给我们的学校地形 信息学院 运行 PC→AR PC+1 RAM→BUS BUS→IR P1 PC→AR PC+1 RS→BUS BUS→DR1 ALU=0→BUS BUS→RD SW→BUS BUS→RD 00(直接)CLR RD→BUS BUS→DR2 DR1+DR2→ BUS→RD 01 01 01 01 02 20 212325 52 53 31 27 RS→RD RS→299 RRC 299→RD RS→299 RLC 299→RD 01 3032 54 55 36 67 70 IN MOV RRC SUC RLC RD→LED 01 STOP 01 26 24 ADC RS→BUS BUS→DR2 RD→BUS BUS→DR1 DR1→DR1 DR1+1→ BUS→DR1 DR1→DR1 DR1+DR2→ BUS→RD 56 57 60 61 RD→BUS BUS→DR1 RS→BUS BUS→DR1 RD→BUS BUS→DR1 35 0101 INC DR1+1→ BUS→RD 01 01 01 34 62 33 RD→BUS BUS→DR2 63 DR1^DR2→ BUS→RD 65 AND 66 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 20 RAM→BUS BUS→DR1 03 RAM→BUS BUS→AR 04 RAM→BUS BUS→DR1 06 RAM→BUS BUS→AR 05 RAM→BUS BUS→AR 07 40 RAM→BUS BUS→DR1 15 22 RI→DR2 16 DR1+DR2→ BUS→AR 17 DR1+DR2→ BUS→DR1 45 RAM→BUS BUS→DR1 46 PC→BUS BUS→DR2 47 DR1+DR2→ BUS→AR 50 DR1+DR2→ BUS→DR1 51 72 P2 RAM→BUS BUS→RD 40 RD→BUS BUS→RAM 41 DR1→BUS BUS→PC 4243 P3 DR1→BUS BUS→PC 6444 010101 BZC JMP STA LAD 10(变址) 01(间接)11(相对)COM 40 4040 01 01 44 01 Y N P4 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 SW→BUS BUS→DR1 DR1→RAM RAM→BUS BUS→DR1 DR1→LED 01 00 11 14 74 10 12 73 13 WRITE(01)READ(00)RUN(11) SW B 10 →B U S B U S→R D 1 DR DR1→DR1 37 71 SWA 图2-8复杂模型机微程序流程图 H L T A OUT 六、实验结果： （1）取in指令送IR： （2）采集从数据开关输入的数据07H并送R0： 基本模型机设计及实现文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208] 课程设计任务书课程名称：计算机组成原理 设计题目：（共3个课题，最多3人一组，每组任选一题） 1.基本模型机设计与实现； 2.带移位运算的模型机的设计与实现； 3.复杂模型机的设计与实现。 已知技术参数和设计要求： 内容和技术参数： 利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。设计环境为TDN－CM＋计算机组成原理教学实验系统，微机，虚拟软件。将所设计的微程序在此环境中进行调试，并给出测试思路和具体程序段。最后撰写出符合要求的课程设计说明书、完成答辩。 1.基本模型机设计与实现 指令系统至少要包括六条不同类型指令：如一条输入指令，一条减法指令,一条加法指令，一条存数指令，一条输出指令和一条无条件转移指令。 2. 带移位运算的模型机的设计与实现 在基本模型机的基础上增加左、右循环和左、右带进位循环四条指令 3. 设计不少于10条指令的指令系统。其中，包含算术逻辑指令，访问内存指令，程序控制指令，输入输出指令，停机指令。重点是要包括直接、间接、变址和相对寻址等多种寻址方式。 以上数据字长为8位，采用定点补码表示。指令字长为8的整数倍。微指令字长为24位。 具体要求： 1、确定设计目标 确定所设计计算机的功能和用途。 2、确定指令系统 确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。 3、总体结构与数据通路 总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。 综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。 4、设计指令执行流程 数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。 5、确定微程序地址 根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。 6、微指令代码化 根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。 ******************* 实践教案 ******************* 计算机与通信学院 2018年春季学期 计算机组成原理课程设计 题目：模型机设计-8 专业班级： 姓名： 学号： 指导教师： 成绩： 前言 本次课程设计主要讲授单处理机系统的组成和工作原理，包括运算器、存储器、控制器和输入输出系统，其中控制器的设计是课程的重点和难点。为了能融 会贯通各知识点，增强对计算机系统各模块协同工作的认识，充分理解数据通路，掌握控制器的设计技术，课程设计也侧重于控制器的设计。 开设这门课可以为理解、应用和开发程序提供技术和方法支持，为后续课程的学习提供重要思想和方法基础，同时对于自己逻辑思维培养和程序设计思想体系的建立有着重要的影响。学好《计算机组成原理》仅仅通过课堂教案或自学获取理论知识是远远不够的，还必须加强实践，亲自实践。在大学学习时，知识是通过一门门独立的课程传授的，而实际问题之能够顺利地得到解决，不但需要多方面的知识，而且还需要善于对这些知识综合地加以运用。这次课设正是给我们了一次自己动脑动手的机会。 目录 摘要1 正文2 第一章设计目的及原理2 第二章模型机的逻辑结构及框图2 第三章详细设计3 3.1 运算器的物理结构3 3.2 存储器系统的组成与说明5 3.3 指令系统的设计与指令分析5 3.4 微程序控制器的逻辑结构与功能8 3.5 微程序的设计与实现9 3.6 微程序与监控程序12 第四章系统调试报告14 设计总结16 参考文献17 致谢18 摘要 本次课程设计主要综合所学习的计算机组成原理的知识，设计一套复杂模型计算机。并设计一些简单的程序进行验证。本系统主要由以下模块组成：运算器、存储系统、微程序控制器模块、指令系统模块、微程序控制器模块等组成。应用存储系统说明输入输出时序，使用模型机的器件组成有片间串行进位8位算数逻辑运算的功能。该系统在基本模型机的基础上改进并实现输入﹑二进制加法﹑存数﹑输出以及无条件转移等指令的功能。对于微指令，可将其转化为格式化的“二进制代码表”，然后通过手动输入或是联机存入的方法，将微指令存入机器，实现相应的操作。终通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念。 关键词：模块；微指令；机器指令；基本模型机；建立整机 模型制作实验报告 1、实验目的与要求 通过本次实验练习模型制作，熟悉建筑模型材料的种类、特性，学会使用钢尺、美工刀等模型制作工具，基本掌握模型的制作技法。为将来在箭镞设计课程中使用模型推敲方案打下基础。要求根据课程设计命题，结合自身设计概念制作模型，可以有一定的取舍，不能有大的错误，制作认真仔细，整体模型干净利落。最后完成得模型要求按照自己的设计方案，体块表现清楚，有自己的风格。 2、实验方案： 结合课程设计的进度，在一草方案后制作工作模型，用于推敲建筑环境、建筑体量、材料、色彩等方面要素，学习以制作模型的形式激发创作灵感、推进方案设计。在基本明确建筑设计方案后进行模型制作设计，选用卡纸、PVC板等作为主材，适用选用色纸、瓦楞纸、型材等作为辅材，利用钢尺、美工刀、模型胶等工具制作建筑模型呈现设计方案。 3、实验过程和数据处理： 听取了专业老师的意见后，我使用了pvc板（厚度为2cm）和kt板作为这次作业的模型主要材料。Pvc板作为主模型的材料，因为其比较结实，不容易被破坏，而且表面平滑，外观看起来十分规整。而kt板则作为模型底座的材料，在kt板上容易插入模型花和粘贴模型人，但是kt板不能与502胶水接触，其会被腐蚀。所以在制作模型时，对于底座的粘合，我使用的是u胶，而pvc板的粘合我会根据需要，使用u胶和502胶水。这次制作模型需要用到的工具中，有手术刀，ut刀，直尺、90度尺、切割板u胶、502胶水等。 考虑到这次制作的模型是塑料模型，因此所需用到的工具比较少。而这次制作模型的手法，鉴于我是大一新生，在经济和知识掌握程度的限制上，我是手工制作模型的。在制作模型时，有直接粘合、镶嵌粘合和穿插的步骤。在制作模型时，我曾经遇到因为粘合位置特殊的原因，很难把两块pvc板粘合在一起或者由于柱子太长，不能轻易与pvc板粘合的问题。一开始我是使用u胶粘合的，但后来发现，原来在一些地方，可以用502胶水作粘合剂，但是值得注意的是，在使用502胶水前，应该确认是否这样粘合，一旦粘合错了，分离工作会很难，而且强制分离会破坏pvc板。另外，在制作模型是，我会发现自己设计的建筑，有些地方做起模型来，会有比较大的难度，会花比较多的时间，于是自己会在考虑是否应该对原来的设计方案进行修改，而如何修改，这又是需要慢慢去思考的，因此，在做模型的时候会发现不少的对设计有用或使你感到困惑的东西。在数据处理方面，我认为做模型对数据的处理十分有用，因为当你把设计从二维转化为三维时，你会发现，你所定的数据不适合人体的模度，对于整个场地的迎合十分不适合。当然，在处理数据时，一些建筑规范是不能忽略的，你的数据可能是不可能实现的东西。因此，在数据处理是，要遵守人体的模度、整个场地的迎合和建筑规范来进行。另外，在处理数据时，我一般时先定大范围的数据，在处理小地方的数据的。可能两方面一起处理会比较好，这我会更加留意这一点。而在数据的整理时，对于复杂的数据，我通常是结合场地的情况稍作调整，当你做出一个模型时，1：20或更大的比例模型用于观察这建筑是否适合人的模度，1:100或更小的比例模型用于观察这建筑是否迎合整理环境的。我制作了1:100和1:50的模型进行分析，最后定出了我的模型方案。 计算机组成原理实验报告 题目复杂模型机设计实验 专业计算机科学与技术 姓名张蕾 学号 1310632 目录 一、实验目的 二、实验原理 1 数据格式 2 指令格式 三、实验内容 四、实验代码设计思想 1 机器程序设计 2 微代码设计 五、实验代码 六、实验接线图 七、实验总结 一、实验目的 （1）综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。 （2）加深对计算机各组成部件之间的相互关系以及指令系统设计方法的理解。 二、实验原理 CPU由运算器（ALU），微程序控制器（MC），通用寄存器（R0），指令寄存器（IR），程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，通过写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能。 1.数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，8 位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是： 0≤X≤2^8－1。 2.指令设计 该复杂模型机设计包含运算类指令、控制类指令、数据传输类指令三大类指令。 （1）运算类指令仅用到了算术运算，算术运算设计有 3 条运算类指令，分别为：ADD（两寄存器值加法）、INC（寄存器值自加1）、SUB（两寄存器值减法），所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。 （2）控制转移类指令有三条HLT（停机）、JMP（无条件跳转到指定的指令地址）、BZC（判断寄存器内容是否为0，为0则跳转到指定的指令地址），用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP 和BZC 为双字节指令。 （3）数据传送类指令有IN、OUT、LDI、LAD、STA 共5 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，均为双字节指令。 3.指令格式 所有单字节指令具有相同的指令格式，如下图所示： 7654 32 10 OP-CODE RS RD 其中4位OP-CODE为操作码，2位RS为源寄存器，2位RD为目的寄存器，并规定： RS或RD 选定的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 IN和OUT的指令格式为： 7654 32 10 7~0 OP-CODE RS RD P IO地址空间被分为4个区如表所示： A7A6 选定地址空间 00 IOY0 00~3F 01 IOY1 40~7F 实验七 基本模型机的设计与实现 一、实验目的 ⒈在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造 一台基本模型计算机。 ⒉为其定义5条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机 概念。 二、实验设备 Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台，实验用扁平 线、导线若干。 三、实验原理 部件实验过程中，各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主，而 本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特 定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完 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。 本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、 STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下 （前三位为操作码）： ==========================================================助记符 机器指令码 说 明 -------------------------------------------------- ------------- IN R0,SW 0010 0000 数据开关状态 →R0 ADD R0,[addr] 0100 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0 STA [addr],R0 0110 0000 XXXXXXXX R0→[addr] OUT [addr],LED 1000 0000 XXXXXXXX [addr]→LED JMP addr 1010 0000 XXXXXXXX addr→PC ==========================================================其中IN为单字节(8位)，其余为双字节指令，XXXXXXXX为addr对 应的二进制地址码。 根据以上要求设计数据通路框图，如图7-10-1所示。系统涉及到的 微程序流程见图7-7-3，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试 字段为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指 令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前3位 (IR7~IR5)作为测试条件，出现8路分支，占用8个固定微地址单元。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表7-10-1即为 将图7-10-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码 课程设计（大作业）报告课程名称：计算机组成原理 设计题目：基本模型机设计与实现 院系：信息技术学院 班级：计算机科学与技术3班 设计者： 学号： 指导教师： 设计时间： 昆明学院 信息技术学院 课程设计（大作业）任务书 目录 课程设计（大作业）报告 一、课程设计的教学目的 1. 在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，进一步将其中各单元组成系统构造一台模型计算机。 2. 本实验定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。 课程设计内容设计一台基本模型机，并实现相关的指令。 二、课程设计任务和基本要求 本课程设计以TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。 1.按给定的数据格式和指令系统,设计一个微程序控制器。 2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微 程序的为指令代码。 3.连接逻辑电路完成启动,测试,编程,测试,效验和运行,并观测运 行过程及结果。 4.将微程序控制器模块与运算器模块,存储器模块联机,组成一台 模型计算机。 5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。 6.通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序,掌握机器指令 与微指令的关系,建立计算机整机的概念,掌握计算机的控制机制。 7.按指定的应用项目进行汇编指令格式及功能设计,并设计相应的 机器指令代码,按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序.在 PC机上编辑机器指令和微程序,装载代码到TDN-CM++实验系统并运行,实现应用要求。 三、设计任务及分析 (1)设计任务: 从输入设备读取数据X并将其存入以A为间接地址的 内存单元，将X与R 0. 寄存器中的内容Y执行X ⊕，结果送到以B为直接地址的内存单元保存。 (2)分析: A:给R 寄存器直接置入01H. B:从数据开关给间接地址为0CH的内存单元置数,(03H). C:给R 0中的内容取反,结果存在R 中. D:将间接地址0CH中直接地址0EH中的内容(03H)放入DR1中, R 中的内容 放入DR2中,将DR1和DR2种的数进行异或运算,结果放在R 中. E:将R 中的内容存在直接地址为0DH的内存单元中. 四、设计原理 模型机在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，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段微程序。 本实验采用五条机器指令： IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前４位为操作码）： 课程设计：计算机组成原理 题目名称：复杂模型机的设计 姓名: 学号：1108020184 1108020185 班级：网络工程1101班 完成时间：2018年1月6日1设计目的：建立清晰完善的整机概念； 学习设计与调试计算机的基本方法；培养严谨的科研作风和独立工作能力。 2设计任务： 综合运用所学的计算机原理知识，按给定的指令系统分和数据格式，在所提供的设备范围内，设计一台字长八位的由微程序控制器来控制的模拟计算机。设计并实现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； 设计微地址转移的逻辑电路图； 设计微程序流程图； 设计说明书。 3设计指标： 字长八位； 时钟源MF=QB=1us 内存容量不得小于2 8； 指令系统不得小于十四条。要求算术逻辑指令七条、访问内存和控制指令四条、输入输出指令两条、其他指令一条。 4设计说明： 4.1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，数值的表示范围是：-1乞X ＜1 模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。 [1]算术逻辑指令 设计九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： 其中，OP-COD为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定: [2]访存指令及转移指令 模型机设计两条访问指令，即存数（STA＞、取数（LDA＞,两条转移指令, 即无条件转移（JMP＞结果为零或有进位转移指令（BZC＞。其格式如下： D 其中，OP-CODE^操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量（正负均可＞, M为寻址方式，其定义如下： 本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2 [3]I/O 指令 输入v IN）和输出＜OUT）指令采用单字节指令，其格式如下: 其中，addr=01时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备， addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。 [4]停机指令 这类指令只有1条，即停机指令HALT用于实现停机操作，指令格式如 4. 2系统指令 本模型机共有1 4条基本指令。其中，算术逻辑指令6条，移位指令2条，访问内存指令和程序控制指令3条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 《模型制作》 实 验 报 告 实验名称：石膏模型制作 姓名学号 实验目的： 1、掌握石膏模型材料与调制方法 2、掌握石膏成型技法 实验材料、用具：石膏粉、水、水盆、夹板、C形钳、保鲜膜、胶合板 实验过程： 1、用夹板在胶合板上围成一个方形区域， 用C形钳对夹板进行固定，之后将鼠标模型放 置在围成的方形区域正中间。 2、将保鲜膜裁成一定大小，在鼠标木模 拍上水，把保鲜膜敷在鼠标木模上。 3、调制石膏浆，用小盆接适量的水，抓 一把熟石膏粉放进去，之后，边搅拌边添加熟石膏粉，两人配合，搅拌适当时，停止加料。 4、将和好的石膏浆倒入围好的方形区域 内，注意不要倒偏，可用手边倒边用手拨，石膏 浆超出夹板一部分，另外找一块胶合板-将石膏 浆表面刮平，待石膏浆有一定硬度后，将成型的 石膏模翻过来，并迅速取出鼠标模型。 5、打开夹子，撤掉夹板，修补制作好的 石膏阴模。修补完成后，放置在一处较平坦的 地方，待其晾干。 6、取出晾干的模子，在模型腔上覆上一 层保险模，和熟石膏粉，步骤跟之前做阴模时 一样。将和好的石膏浆拨进模型腔，把表面刮 平，挂掉多余的部分。 7、待石膏有一定温度时，将做好的鼠标石 膏模型取出，进行修补，用手沾水对多余部分进 行处理，将坑洼处，用石膏料补平。 实验体会： 石膏模型的制作，过程不太繁琐，挺适合用 来做设计成品的初步表达，但考虑到石膏的固化特性，不能用来做太大的模型。 还有，在制作过程中，对石膏的基本特性及使用有所了解，知道在那一块儿该注意，比如：石膏浆不能和的太稀，太稀就要花大把的时间去等待其发干，这样就会费很多时间，并且不便于对石膏进行再处理。太稠也不行，干的快，还没倒完料，石膏浆就成干块了，干了后，木质的鼠标模型就不容易脱出。所以，调制石膏浆很重要，得把握好用谁的量。 在翻模与脱模的时候也很关键，动作要迅速，及时对模型进行修补和修饰，这样才能做出一件相当不错的石膏模型。 实验一寄存器实验 实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。 实验要求：利用CPTH 实验仪上的K16..K23 开关做为DBUS 的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A，工作寄存器W，数据寄存器组R0..R3，地址寄存器MAR，堆栈寄存器ST，输出寄存器OUT。 实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的CPTH 用74HC574 来构成寄存器。74HC574 的功能如下： - 1 - 实验1：A，W 寄存器实验 原理图 寄存器A原理图 寄存器W 原理图连接线表： - 2 - - 3 - 系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。 在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述． 将55H 写入A 寄存器 二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据 55H 置控制信号为： 按住STEP 脉冲键，CK 由高变低，这时寄存器A 的黄色选择指示灯亮，表明选择A 寄存器。放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据55H 被写入A 寄存器。 将66H 写入W 寄存器 二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据66H 置控制信号为： 按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据66H 被写入W 寄存器。 注意观察： １．数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。 ２．WEN，AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。 实验2：R0，R1，R2，R3 寄存器实验 连接线表 - 4 - 实验七基本模型机的设计与实现 一、实验目的 ⒈在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。 ⒉为其定义5条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机概念。 二、实验设备 Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台，实验用扁平线、导线若干。 三、实验原理 部件实验过程中，各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，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。 本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT （输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前三位为操作码）： =============================================================== 助记符机器指令码说明 --------------------------------------------------------------- IN R0,SW 0010 0000 数据开关状态→R0 ADD R0,[addr] 0100 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0 STA [addr],R0 0110 0000 XXXXXXXX R0→[addr] OUT [addr],LED 1000 0000 XXXXXXXX [addr]→LED JMP addr 1010 0000 XXXXXXXX addr→PC =============================================================== 其中IN为单字节(8位)，其余为双字节指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。 根据以上要求设计数据通路框图，如图7-10-1所示。系统涉及到的微程序流程见图7-7-3，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前3位(IR7~IR5)作为测试条件，出现8路分支，占用8个固定微地址单元。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表7-10-1即为将图7-10-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。 下面介绍指令寄存器(IR)：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据总线上，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过 节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令寄存器”根据指令中的操作码译码 强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。 本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE)；另一种是LED块，它作为输出设备(OUTPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当LDED有效时，将数据打入输出锁存器，驱 页脚* 1 《牙齿痕迹实验》实验报告 指导教师：王纬东 实验时间： 2015-06-06 制作人： 天气情况：晴 温度： 26摄氏度 湿度：18 实验器材与样品：红白大样膏，蜡纸，光学显微镜，纸杯，热水 实验名称 实验一、牙齿痕迹实验 实 验 目的 了解人牙排列规律，掌握牙齿宽度、牙弓形态与牙位的分析方法；掌握牙齿宽度、牙弓宽度、 牙弓深度及牙齿之间相对夹角的测量方法；掌握利用牙科打样膏制作牙齿痕迹样本的操作方法。 实 验 原理 恒牙列形成后，能在相当长的时期内保持稳定，这是牙齿痕迹检验、鉴定的基本条件；医用打样膏能够在加热的条件下被塑造成需要的形态，冷却即可定型，能够如实的反映牙齿的结构特征。 教 学方法 制作牙齿痕迹，观察和认识特征。 方 案 设 计 及 教 学 过 程 实验内容 （一） 制做牙齿痕迹样本 取出一块牙科打样膏，浸泡在装有70℃～80℃的热水的一次性纸杯中，待打样膏软化后立即取出，手动塑成与牙弓大小相近的形状，然后将打样膏置于口腔中，上、下颌正常咬合，待打样膏硬化后取出，置于装有冷水的一次性纸杯中冷却，待完全硬化定型后，即制备成了牙齿痕迹样本。 （二）牙齿痕迹测量 1．测量牙冠宽度 2．测量牙弓宽度与牙弓深度 3．描绘牙列曲线 （三）观察痕迹确定特征 观察牙齿痕迹样本，确定牙齿的排列规律；确定畸形、病变牙的数量、部位和种类；分析正常牙列或由畸形牙和病变牙构成的牙列特征的各自特点，分析特征的特定意义。分析牙齿痕迹的特征反映及特征的特定性，分析前牙痕迹在检验中的作用与意义。 （四）根据牙齿痕迹样本的测量数据、观察结果、分析意见写出实验报告。 注意事项 使用牙科打样膏制作牙模时，要控制咬合的力度，不可反复咬合，否则会破坏牙齿痕迹 实验作业 （一）要求每位学员个人独立操作，制做牙齿痕迹样本。 （二）保存好实验模型。 实验现象、数据与分析：牙冠宽度、单牙尺寸、牙弓宽度、牙弓深度、牙齿相对夹角等数据的分析，自己依据上面实验自我分析。 实践报告 计算机组成原理--模型机设计报告 作者姓名： 专业：计算机科学与技术 学号： 指导教师： 完成日期：年月号 ******学院 计算机工程系 摘要 “计算机组成原理”是计算机科学与技术系的一门核心专业基础课程，在计算机专业中起了很重要的作用。课程中分部分介绍了计算机的各个部件，我们有必要将它们组合起来以对计算机有一个整体的认识。这次课程设计通过对一个简单模型机的设计与实现，是我们对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接有更深的理解。依次设计计算机的几个部件并进行连接使成为一个完整的模型机。通过运行和调试，使之正常工作。 关键词：运算器；控制器；存储器；输入输出接口；模型机 正文： 一、课设目的要求： 《计算机组成原理》是一门理论性、实践性均较强的专业基础课，要求学生具有一定的电路分析、指令系统编写能力、软件设计能力。通过计算机组成原理实践周，要突出《计算机组成原理》理论联系实际的特点，培养实践动手能力。 1.培养学生运用理论知识和技能，构建建立问题逻辑结构，锻炼学生分析解决实际 问题的能力。 2.培养学生使用PROTEUS软件分析和设计计算机内部器件的方法和技巧。 3.培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。 4.通过实践设计，要求学生在指导教师的指导下，独立完成设计课题的全部内容， 包括： （1）通过调查研究和上机实习，掌握PROTEUS软件的设计和仿真调试技能。 （2）掌握计算机系统的组成结构及其工作原理。 （3）设计实现一个简单计算机的模型机，并能够使用PROTEUS软件进行电路仿真验证 二、课设内容： 利用所学的计算机结构和工作原理的知识，要求学生独立完成简单计算机的模型机设计，并用PROTEUS软件进行验证。在分析设计过程中，要求学生养成良好的习惯，学会分析实际问题，并利用所学的知识建立系统的逻辑结构，学会PROTEUS调试技巧和方法，通过逻辑设计和工程设计培养调试硬件电路的实际动手能力。要求学生掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法；锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障。 三、课设设备： 计算机组成原理教学实验系统及电脑一台。 四、模型机组织结构： 组织结构分为运算器控制器存储器输入输出接口。 运算器是数据的加工部件，是CPU的重要组成部分。基本结构中必须有算数/逻辑运算单元、数据缓冲存储器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器组成。存储器用来 计算机基本模型机设计与实现 万红明，李明威 ——湖北省孝感学院计算机科学系 摘要：本科研项目主要在传统模型机的基础上进一步设计且实现模型机的主要组成部件（运算器，存储器，控制器，基本输入输出设备）的基本功能，结合基本硬件资源，充分利用微程序，时序，组合逻辑等控制模型机完成一些基本的指令功能。 关键词：计算机组成原理模型机微指令微程序。 一、模型机的硬件组成 计算机是由运算器、存储器、控制器以及输入输出四大主要单元组成。它们之间通过一条公共的通道进行数据的传递和控制，即总线。其中运算器主要是负责数据的逻辑和算术运算，存储器的任务就是存放我们编写的机器指令（程序）和一般的数据存储，控制器是根据读取内存中的机器指令从而对相应的指令作出分析，继而对我们的计算机发不同的控制信号。输入输出单元则是将我们需要运行的程序写入内存，再由机器运行计算得出结果，予以显示输出。下图为模型机的基本框架： 图(1) 下面我们就对模型机的硬件设计思路作一些简要的介绍(设计的重点是在微程序的设计上，在后面我们将作祥细的说明。 （1）算术逻辑运算单元 我们用的运算器是将两个74LS181进行级联做成一个八位的运算器，并且带有进位功能。当有进位产生时，在高四位的74LS181上的CN+4端输出一个高电平，经D触发器锁存输出并送致LED显示。74LS181有多种组合状态，因此会有多种不同的结果。我们在此只设计实现两个数据相加的功能。它的输入端直接连着两个锁存器（74LS273），它能够将输入端的数据送进锁存器内锁存，进而将数据送进运算器进行算术或逻辑运算。运算器运算后的结果将通过一个三态门（74LS245）后才能送到总线与其它的部件交换数据，设计中三态门的作用是使各部件正常工作而互不影响。 （2）存储单元 存储器芯片选用的是6116（2K x 8），其数据端接至数据总线，地址由地址锁存器（74LS273）给出。数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。 实验五 复杂模型机的设计与实现 一、实验目的 综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。 二、实验设备 Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。 三、数据格式及指令系统 1. 数据格式 8 其中第7位为符号位，数值表示范围是：≤＜。2. 指令格式 模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O 指令、访问及转移指令和停机指令。 ⑴ 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： 其中，OP-CODE 为操作码，Rs 为源寄存器， Rd 为目的寄存器，并规定： 其中9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。 ⑵ 访问指令及转移指令 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： 其中“0 0 M ”为源码段，2OP-CODE 为目的码段（LDA 、STA 指令使用）。D 为十六位地址段（低八在前，高八随后），M ⑶ I/O 指令 输入（IN）和输出（OUT ⑷停机指令 指令格式如下： HALT指令，用于实现停机操作。 3.指令系统 本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 图5-1复杂模型机微程序流程图 按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。 源编码目的编码 评语：课中检查完成的题号及题数: 课后完成的题号与题数: 成绩：自评成绩： 实验报告 实验名称：__________ 简单模型机实验报告____________ 日期： _________________ 班级：学号：姓名： -、实验目的： 1掌握一个简单CPU的组成原理。 2、在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。 3、为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。 二、实验内容： 本实验要实现一个简单的CPU并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（R0，指令寄存器（IR）、程序计数器（PC和地址寄存器（AR组成，如图2-1-1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。 图1-4-1基本CPU 构成原理图 除了程序计数器（PC ，其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统 的程序计数器（PC 由两片74LS161和一片74LS245构成，其原理如图1-4-2所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR 按下CLR 按钮，将使PC 清 零，LDPC 和T2相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD 为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PG 图1-4-2程序计数器（PC ）原理图 本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令 JMP 共有五条指令: OUT （输出）、JMP （无条件转移），HLT （停 机）， 其指令格式如下（高4位为操作码）： 助记符 机器指令码 说明 IN 0010 0000 IN — R0 ADD 0000 0000 R0 + R0 — R0 OUT 0011 0000 R0 — OUT JMP addr 1100 0000 ******** addr — PC HLT 0101 0000 停机 址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求 CPU 自动从存储器读取指 令并执行。根据以上要求，设计数据通路图，如图 1-4-3所示。 IN （输入）、ADD （二进制加法）、 其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令, ******** 为addr 对应的二进制地 LDPC T2 CLR LOAD基本模型机的设计与实现课程设计报告
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