基本模型机实验
实验目的:
理解微程序结构CU设计方法
理解机器指令与微程序之间的关系
掌握简单模型机CU的设计方法。
实验原理：
1.基本模型机使用的实验台模块
基本模型机应包括计算机系统的五大部件，相应地，在使用实验台构造模型机时，涉及到以下模块，必须完成其数据线（扁缆）和各种控制信号线的连接。
运算器模块– ALU；
指令部件模块、时序启停控制模块、微程序模块- 这些模块合在一起，相当于计算机系统中的CU；
存储器模块- 可存储机器指令，用于验证模型机的运行情况；
输入模块– 通过开关输入二进制数据；
输出模块– 通过LED显示从数据总线上输出的八位数据。
2.基本模型机制持的指令系统
实验台支持的基本模型机实验中，模型机支持的指令集包括五条指令，其机器指令形式如下：
助记符机器指令格式操作
IN R0，SW 0010 0000 将输入模块开关输入值送入寄存器R0 ADD R0，[addr] 0100 0000 xxxxxxxx 双字节指令，第二字节为访存操作数
的地址。
STA [addr]，R0 0110 0000 xxxxxxxx 同上。将R0寄存器的值存入地址addr
对应的内存单元中。
OUT[addr],LED 1000 0000 xxxxxxxx 同上。将内存地址addr对应单元的内
容输出到输出模块，由LED显示。
JMP addr 1010 0000 xxxxxxxx 同上。给PC赋值addr，控制程序跳
转到addr处执行。
3.微程序设计
基本模型机中实现CU控制的微程序共有6段，分别是取指周期微程序，和五条机器指令各自的执行周期微程序。其结构如下图所示：
其中，需要说明的是条件P（1），这个测试出现在取指周期结束时，系统需要根据机器指令的操作码字段（机器指令的前三位）进行散转，分别转入相应的执行周期微程序中执行。
系统采用的微指令定义格式为
23位
微操作控制字段采用直接控制过直接控制产生，3位长的一控制信号在微命令中的下标与式为：
3位
6位
接控制和字段直接控制相结合的方法，其中20个微控制长的一个字段译码后产生8个微控制信号（未全部定义下标与含义对应关系如下图所示：
微控制信号通
部定义），各微
C
B
A
AR
未用PX3
A9
A8
31
30
29
28
272625
24
CE
LOAD
CN
M
S0
S1
S2
S3
23
22
21
20
19
18
17
16
LDPC
13
LDIR
12
LDDR2
11
LDDR1
10
LDR0
9
WE
8
PX2
15
LDAR
14
UA0UA1UA2UA3UA4UA5
31302928272625
24
PX1
SW-B
基本模型机的微程序清单：
微地址 32位长度的微指令 M00 00 00 00 80 M01 20 00 60 40 M02 00 80 10 12 M03 00 80 40 20 M04 00 80 08 A0 M05 80 00 04 60 M06 40 29 02 80 M07 00 80 40 68 M08 00 00 00 80 M09 00 00 02 81 M0A 20 00 60 C0 M0B 20 00 60 E0 M0C 20 00 60 C8 M0D 20 00 60 A8 M0E 20 00 60 E8 M0F 20 00 60 98 M10 00 40 20 89 M11 20 00 60 48 M12 00 80 01 89 M13 00 80 40 28 M14 03 80 00 80 M15 00 C0 20 80 M16 80 80 01 80 4. 实验方法
按下数字‘1’后，在按下[装载]键，将基本模型机的微程序转载到实验台的微程序
模块之控制存储器中。 键入数字‘00’，控制PC 的值等于0，从该地址开始执行机器指令，每按下一次单步，观察微程序模块中二进制开关单元和下地址的显示情况，对比微程序清单，观察是否正确。
在联机状态下，打开mxj1.abs ，这个文件是基本模型机的机器指令及对应微指令代码文件，点击[装载]图标进行装载，而后点击工具栏的“单步运行微指令”，“单步运行
程序”指令，观察微指令，以及机器指令的运行情况是否正确。
基本模型机的设计与实现课程设计报告 https://www.doczj.com/doc/1115511102.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。
计算机硬件课程设计--简单模型机设计
计算机硬件综合课程设计报告
简单模型机设计 一、设计要求 硬件：TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台，PC机一台，排线若干，串口线一根。 软件：CMP软件 二、设计目的 1.通过对一个简单计算机的设计，对计算机的基 本组成、部件的设计、部件间的连接、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。 2.通过这次课程设计，建立整机的概念，对程序 进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。 3.通过本次课程设计熟悉和训练设计思路与实 现方法。 4.通过本次课程设计锻炼团队合作的能力和团 队问题的解决。
三、设计电路及连线 设计电路及连线实验图如下图1-1所示。 图1-1 简单模型机连线图 四、设计说明 本次课程设计将能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个微程序。 本次课程设计采用五条机器指令：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）： 助记符 机器指令码 说 明 微程序入口地址 IN 0000 0000 “INPUT DEVICE ”中 10 的开关状态→R0 0001 0000 ×××× ×××× R0+[addr]→R0 11 0010 0000 ×××× ×××× R0→[addr] 12 0011 0000 ×××× ×××× [addr]→BUS 13 0100 0000 ×××× ×××× addr →PC 14 ADD addr STA
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：
实验四简单模型机实验 1.1实验目的 1）将微程序控制器模块通过总线同运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算机； 2）用微程序控制器控制模型机数据通路； 3）通过CPU运行5条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立机器的整机概念。 1.2电路图 本次实验用到前几次实验所有电路，将几个模块组成一台简单计算机，由微程序控制器控制数据通路，实现cpu从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个指令周期，由微指令组成的序列来完成，一条机器指令对应一个微程序。 图1 电路图 1.3 实验原理 （1）PC计数器初始值为“0”，微程序默认从00地址开始执行，产生控制信号，使PC的地址通过ABUS将送到存储器（6116）的地址锁存器AR中， PC=PC+1;（2）读出存储器中存放内容,通过DBUS送到IR指令寄存器中，实现指令译码，指令的操作码送至微程序控制器的程序跳转控制部分，在P(1)的控制下与微程序中储存的下一条指令地址进行逻辑运算，产生真正的下一条微程序地址；（3）在微程序的控制下单步执行微指令序列。
1.4 微指令格式 表1 微指令格式 1.5 微程序流程图： 图2 微程序流程图
1.6微程序代码表 1.7 数据通路总体图 图3 数据通路总体图
五条机器指令格式(其中，A为内存地址8bit)： RAM中装入的程序和数据(其中，地址为8进制)： 1.8 实验任务及步骤 （1）实验连线：本次实验大部分的连线已由教师完成，请同学们对照微指令格式，完成微程序控制器的剩余部分连线。 （2）实验环境初始化：实验平台通电前请关闭DR1（74ls273），DR2（74ls273）,存储器（6116）的地址锁存器（74ls273），微程序控制器的地址锁存器（74ls175）的自动清零功能，将几个芯片的-MR引脚置为“1”。 时钟发生器的功能设定为单步执行，具体信号为：STOP=0，STEP=1。 （3）加电运行初始化：①指令寄存器IR自动清零，程序计数器PC手动清零，将两片74ls163的ENT,ENP引脚置“1”，-CR引脚置“0”，打开三态门开关，给单步时钟脉冲；
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
实验八 简单模型计算机实验 一、实验目的 1)通过实验分析简单模型机结构，了解计算机的工作原理。 2)掌握计算机微程序控制器的控制方法，掌握计算机指令执行过程 二、实验原理 基本整机模型数据框图如图所示，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。 数据的通路从程序计数器PC的地址送到主存的地址寄存器，根据地址寄存器的内容找到相应的存储单元。 存储器中的数据是指令时，那么数据是从RAM送到总线，再从总线送到IR 中。 存储器中的数据是需要加工的数据时，那么数据是从RAM送到总线，再动总线送到通用寄存器中等待加工。 数据加工过程中，两个数据是从总线上将数据分别分时压入两个暂存器中，等待运算部件的加工，在数据加工完成以后。运算结果是通过三太门送到总线上。 三态门的控制时由微控制器来控制。
图：模型机的数据通路图 三、实验过程 1.连线 按实验逻辑原理图连接以下控制信号。 1)时钟单元（CLOCK UNIT）的T1-T4接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）
的T1-T4. 2)手动控制开关单元（MANUAL UNIT）的KA ，KB接到指令单元（INS UNIT） 的KA，KB。 3)指令单元（INS UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR 接到的微程序控制单 元（MAIN CONTROL UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR。 4)输入/输出单元（INPUT/OUTPUT UNIT）IO-W，IO-R接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的IO-W，IO-R,Ai接到地址单元（ADDRESS UNIT）的A0. 5)主存储器单元（MEM UNIT）M-W、M-R接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的M-W、M-R，A7-A0 接到地址单元（ADDRESS UNIT）的A7-A0. 6)地址单元（ADDRESS UNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B接到微程序控制单元 （MAIN CONTROLUNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B. 7)通用寄存器单元（REG UNIT）的B-R、R0-B 接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的B-DR、DR-B。 8)把算术逻辑单元（ALU UNIT）的B-DA1、B-A2、ALU-B Cycn、CyNCn、S3-S0、 M、Ci接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的B-DA1、B-A2、ALU-B、Cycn、CyNCn、S3-S0、M、Ci。 2.写入、检验微代码 这项操作与实验七的操作过程相同 3.装入机器指令汇编程序操作 1)微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）编程开关置于“RUN”状态。 2)手动控制开关单元（MANUAL UNIT）的“STEP/RUN”开关置于“STEP”状态。 3)手动控制开关单元（MANUAL UNIT）的KA，KB开关置于1、0写主存储器状 态。 4)拨动开关从１1—0—1，产生一个负脉冲，清零程序计数器ＰＣ、微地址 寄存器。 5)拨动“START”按钮一次，从微程序控制存储器的00H微地址开始执行微指 令，暂停在0AH微地址处。 6)此时在输入数据开关上拨入实验用机器指令汇编程序表中对应00H地址的
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
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
淮海工学院计算机工程学院实验报告书 课程名：《计算机组成原理》 题目：实验四基本模型机实验 班级： 学号： 姓名：
1、目的与要求 1）在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，将第一部分中的各单元组成系统，构造一台基本模型计算机。 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。2、实验设备 1) ZYE1601B计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。 2) PC机一台。 3、实验步骤与源程序 l) 根据该模型机的指令系统，编写一段程序。这里给出两个参考程序。 参考程序一： 本程序从输入设备（数码开关）取入数据，保存在内存单元08，然后从08单元送到输出设备（LED数码管）进行显示。然后程序停止（请实验者考虑：如何修改程序，使程序不断从输入设备取出数据，送到输出设备显示。每次循环过程中，可以使输入设备数据改变，考察输出显示的结果。）。 设计机器指令程序如下（机器码为十六进制数据）。 地址内容助记符说明 00 00 IN ；输入开关数据→R0 01 20 STA [08H] ；R0→[08] 02 08 ；地址 03 30 OUT [08H] ；[08H]→BUS 04 08 ；地址 05 40 JMP [00H] ；00H→PC 06 00 ；跳转地址 参考程序二： 本程序从输入设备（数码开关）读入数据，与0A单元的数据相加，然后送到输出设备（LED 数码管）进行显示。本程序不断地循环运行，在运行中可改变输入开关（INPUT）的值，观察输出显示的变化。 设计机器指令程序如下（机器码为十六进制数据）。 地址内容助记符说明 00 00 IN ；输入开关数据→R0，采集数据 01 10 ADD [0AH] ；R0＋[0AH]→R0，输入数据与指定数据相加 02 0A ；地址 03 20 STA [0BH] ；R0→[0B] 04 0B ；地址 05 30 OUT [0BH] ；[0BH]→BUS，输出显示 06 0B ；地址 07 40 JMP [00H] ；00H→PC 08 00 ；跳转地址 0A 01 ；加数，可自定 0B ；求和结果保存在0B单元 2) 按图1连接实验线路。 3) 写程序： 对于本实验箱可以用两种方法来写入程序。 方法一：手动写入 （1）先将机器指令对应的微代码正确地写入2816中，由于在实验1.6微程序控制器的组成与微程序设计实验中已将微代码写入E2PR0M芯片中，对照表2—2校验正确后就可使用。
哈尔滨工程大学 实验报告 实验名称：复杂模型机设计与实现 班级： 学号： 姓名： 实验时间： 成绩： 指导教师：程旭辉附小晶 实验室名称：计算机专业实验中心 一、实验名称：复杂模型机的设计与实现 二、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．设计指令系统。 3．编写简单程序，在所设计的复杂模型计算机上调试运行。 三、实验设备： GW-48CPP系列计算机组成原理实验系统。 四、实验原理： 1．数据格式 8位，其格式如下： 其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤1。 2．指令格式 所设计的指令分为四大类共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问、转移指令和停机指令。 （1）算术逻辑指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，采用寄存器直接寻址方式，其格式如下： 其中， （2）访问指令及转移指令 访问指令有2条，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） 其中，OP-CODE指令）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下： 在本模型机中规定变址寄存器RI为寄存器R2。 （3）I/O指令 输入（IN）和输出（ 其中，addr=01时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LCD
点阵液晶屏作为输出设备。 （4）停机指令 指令格式如下： 3．指令系统 共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7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
本模型机的数据通路框图如图7-1。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图7-2。 图7-2 微程序流程图 五、实验内容： 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，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。 微代码定义如表7-1所示。
基本模型机实验 实验目的: 理解微程序结构CU设计方法 理解机器指令与微程序之间的关系 掌握简单模型机CU的设计方法。 实验原理： 1.基本模型机使用的实验台模块 基本模型机应包括计算机系统的五大部件，相应地，在使用实验台构造模型机时，涉及到以下模块，必须完成其数据线（扁缆）和各种控制信号线的连接。 运算器模块– ALU； 指令部件模块、时序启停控制模块、微程序模块- 这些模块合在一起，相当于计算机系统中的CU； 存储器模块- 可存储机器指令，用于验证模型机的运行情况； 输入模块– 通过开关输入二进制数据； 输出模块– 通过LED显示从数据总线上输出的八位数据。 2.基本模型机制持的指令系统 实验台支持的基本模型机实验中，模型机支持的指令集包括五条指令，其机器指令形式如下： 助记符机器指令格式操作 IN R0，SW 0010 0000 将输入模块开关输入值送入寄存器R0 ADD R0，[addr] 0100 0000 xxxxxxxx 双字节指令，第二字节为访存操作数 的地址。 STA [addr]，R0 0110 0000 xxxxxxxx 同上。将R0寄存器的值存入地址addr 对应的内存单元中。 OUT[addr],LED 1000 0000 xxxxxxxx 同上。将内存地址addr对应单元的内 容输出到输出模块，由LED显示。 JMP addr 1010 0000 xxxxxxxx 同上。给PC赋值addr，控制程序跳 转到addr处执行。 3.微程序设计 基本模型机中实现CU控制的微程序共有6段，分别是取指周期微程序，和五条机器指令各自的执行周期微程序。其结构如下图所示： 其中，需要说明的是条件P（1），这个测试出现在取指周期结束时，系统需要根据机器指令的操作码字段（机器指令的前三位）进行散转，分别转入相应的执行周期微程序中执行。
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
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）：
兰州理工大学技术工程学院 计算机组成原理课程设计任务书（09级）题目：模型机设计—1 学生姓名：学号： 班级：计算机科学与技术(2)班指导老师： 一、计算机组成原理课程设计题目简介 该设计要求学成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就算计。 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，建立计算机整体概念，加深计算机时间与空间概念的理解。 二、计算机组成原理课程设计任务 1、查阅文献资料，一般在5篇以上； 2、以教学实验用模型机为背景，通过调研、分析现有的模型机，建立带有带8位自增、自减指令的整机模型； 3、完成系统编程与测试工作； 4、撰写设计说明书； 5、做好答辩工作。 三、计算机组成原理课设设计的主要内容、功能及指标 1、根据任务要求设计整体系统的方案。 2、存储系统：使用模型机的存储模块，说明存储器的输入输出时序，模块连接方式等。 3、运算器：使用模型机的器件，组成带有片间串行进位8位移位运算功能的运算器。 4、微程序控制器模块：使用教学机的系统，设计微程序控制器。 5、设计模型机指令系统：（含设计微指令格式，微程序流程图，每条指令所对
应的微程序等）。指令系统包括下列指令：IN、OUT、STA、LDA、JMP、BZC、CLR、MOV、 ADD、SUB、ADC、ADT、INC、DEC、SBT、SBC 6、了解并说明教学模型机的输入输出模块。 7、在自己设计的指令系统基础上，编制一个汇编语言小程序并进行调试通过。 8、整机设计分模块进行，说明模块中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序、以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。 四、完成课程设计报告 1、设计题目、设计任务、实验设备与器材； 2、整体设计方案，设计原理与内容； 3、画出模型机数据通路图； 4、画出设计的模型机微程序流程图和微程序； 5、说明指令系统的格式； 6、说明模块中数据和控制信号的来源、去向、功能、时序、以及模块间数据和控制信号的来源、去向、功能、时序等。 7、调试情况，调试过程中遇到的主要问题，是如何解决的；对设计和编码的回顾讨论和分析；改进设想；经验和体会等； [1]计算机组成原理课程设计提交的成果 1.设计说明书一份，内容包括： 1）中文摘要100字；关键词3-5个； 2）前言； 3) 设计的目的及设计原理； 4）模型机的逻辑结构及框架； 5) 运算器的物理结构； 6）存储器系统的组成与说明； 7）指令系统的设计与指令格式分析； 8) 微程序控制器的逻辑结构及功能； 9）微程序的设计与实现（含微指令格式、后续地址产生方法以及微程序入口地址的形式）