北京工业大学 计算机组成原理课设 报告

计算机组成原理课程设计实验报告班级：110703学号：110703xx姓名：xx同组人：xxx日期：2013年6月28日目录1.主机系统总体结构框图---------------------------------------------------------------32.数据通路机构设计-----------------------------------------------------------------------43.各部件详细设计图-----------------------------------------------------------------------54.指令系统中的各种机器指令-----------------------------------------------------185.指令的格式和寻址方式-------------------------------------------------------------216.微程序控制部件的设计方法及调试过程---------------------------------216.1.时序系统设计方法-----------------------------------------------------------216.2.微指令详细设计-----------------------------------------------------------226.3.取指公共操作及指令流程-----------------------------------------------246.4.取指微程序及各指令微程序-------------------------------------------246.5.控制部件逻辑连线图及封装图---------------------------------------256.6.微程序控制部件的调试过程-------------------------------------------267.调试程序及注释------------------------------------------------------------------------278.调试程序与时序仿真的波形----------------------------------------------------279.设计过程中的收获和体会--------------------------------------------------------3010.计算机主机指令汇总--------------------------------30主机系统总体结构框图数据通路结构设计图各部件详细设计图时序发生器的设计例：对于用微程序设计来实现控制部件的模型机而设计出的时序发生器如下：时序发生器（timer）提供一个微周期中的八个电平及脉冲型控制信号，可供整机设计时使用。

计算机组成原理课程设计报告班级：计算机 完成时间：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， 系统的概念；3 .培养综合实践及独立分析、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 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。

课程设计使用的设备（环境） 硬件 COP2000实验仪 PC 机 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：1. 模型机总体结构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， 同。

模型机的指令码为 码的最低两位用来选择 R0-R3 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姓名: 学号: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 解决问题的能力。

二、课程设计的任务针对COP2000实验仪， 法运算功能为应用目标，在1.2.数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与 16位机相8位，根据指令类型的不同，可以有 0到2个操作数。

大连海事大学课程设计报告课程名称：计算机组成原理课程设计成员：学号姓名成绩2220132451 程子璇2220112338 班昌磊设计时间：2015年8月31日至9月11日目录1．设计任务与要求 (2)2．设计方案 (10)3．详细设计 (11)4．设计结果及分析…………………………………5．成员分工及工作情况……………………………6．参考文献…………………………………………1.设计任务与要求1.1设计课题的背景、目的与意义“计算机组成原理课程设计”是计算机科学与技术专业的学生在修完“计算机组成原理”课程之后，必须完成的实验环节。

本课程设计是在完成计算机组成原理分解实验的基础上，来进行模型计算机的整机实验。

通过模型机的设计、组装和调试，连贯运用“计算机组成原理”课学到的知识，建立计算机整机的概念，加深对计算机“时空”概念的理解，掌握设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高应用集成电路的基本技能，培养和提高学生独立工作的能力、分析问题和解决问题的能力。

1.2课设应解决的主要问题（1）掌握常用的集成电路芯片的工作原理、特性和应用；（2）按现有实验室提供的条件，设计模型计算机的结构，组成，数据格式、指令系统、微指令系统；（3）设计一个具有微程序控制器的计算机系统；（4）在组装调试成功的基础上，整理出设计说明书和其它文件（包括：指令系统、总体图、整机电路逻辑图、元件排列图、操作流程图、操作时间表、微指令格式和微程序），撰写要简明扼要、文理通顺、图表清晰、结论正确的课程设计总结报告。

1.3课设应达到的技术要求（1）掌握计算机组成原理知识（2）数据格式设计（3）指令设计，指令格式设计（4）指令系统设计1.4课题设计的基本理论依据(1)指令格式所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT 和MOV）格式如下：表1-4-1 单指令格式7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE RS RD其中，OP-CODE 为操作码，RS 为源寄存器，RD 为目的寄存器，并规定：表1-4-2 寄存器规定RD或RS 选定的寄存器00 R001 R110 R211 R3IN 和OUT 的指令格式为：表1-4-3 IN和OUT指令格式7 6 5 4(1) 3 2(1) 1 0(1) 7-0(2)OP-CODE RS RD P其中括号中的1 表示指令的第一字节，2 表示指令的第二字节，OP-CODE 为操作码，RS为源寄存器，RD 为目的寄存器，P 为I/O 端口号，占用一个字节，系统的I/O 地址译码原理见图1-4-1（在地址总线单元）。

计算机组成原理课程设计实验报告目录一、程序设计 (1)1、程序设计目的 (1)2、程序设计基本原理 (1)二、课程设计任务及分析 (6)三、设计原理 (7)1、机器指令 (7)2、微程序流程图 (9)3、微指令代码 (10)4、课程设计实现步骤 (11)四、实验设计结果与分析 (15)五、实验设计小结 (15)六、参考文献 (15)一、程序设计1、程序设计目的（1）在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。

（2使用简单模型机和复杂模型机的部分机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。

（3）掌握微程序控制器的组成原理。

（4）掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。

（5）通过课程设计，使学生将掌握的计算机组成基本理论应用于实践中，在实际操作中加深对计算机各部件的组成和工作原理的理解，掌握微程序计算机中指令和微指令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运行过程。

2、程序设计基本原理（1）实验模型机结构[1] 运算器单元（ALU UINT）运算器单元由以下部分构成：两片74LS181构成了并－串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。

ALU的S0～S3为运算控制端，Cn为最低进位输入，M为状态控制端。

ALU的输出通过三态门74LS245连到数据总线上，由ALU-B控制该三态门。

[2] 寄存器堆单元（REG UNIT）该部分由3片8位寄存器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结构等。

三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和RS-B根据机器指令进行选通。

[3] 指令寄存器单元（INS UNIT）指令寄存器单元中指令寄存器（IR）构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序的跳转，由LDIR控制其选通。

[4] 时序电路单元（STATE UNIT）用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。

长治学院课程设计报告课程名称：计算机组成原理课程设计设计题目：设计一台性能简单的计算机系别：计算机系专业：计科1101班组别：第三组学生姓名: 学号:起止日期: 2013年7月4日~ 2013年7月10日****:***目录一、课程设计的目的 ----------------------------------1二、设计要求 ----------------------------------------1三、设计的方法及过程---------------------------------23.1整机设计 --------------------------------------23.1.1 根据设计要求正确设置正确设置多路开关-------23.1.2操作控制信号及其实现方式-------------------23.1.3根据接线表画出整机的线路图-----------------2 3.2．设计指令系统----------------------------------3 3.3．设计微指令及指令的微程序----------------------43.3.1设计微地址 --------------------------------4 3.3.2写出指令的执行流程-------------------------3 3.3.3编写指令的微程序---------------------------53.4．编写并执行应用程序----------------------------8四、心得体会-----------------------------------------7 一课程设计的目的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理；二设计要求题一研制以台性能如下的实验计算机。

计算机组成原理课程设计报告一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业的重要课程之一，通过学习该课程，我们可以深入了解计算机的硬件组成和工作原理。

本次课程设计旨在通过设计一个简单的计算机系统，加深对计算机组成原理的理解，并实践所学知识。

二、设计目标本次课程设计的目标是设计一个基于冯·诺依曼体系结构的简单计算机系统，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。

通过该设计，我们可以掌握计算机系统的基本组成和工作原理，加深对计算机组成原理的理解。

三、设计方案1. CPU设计1.1 硬件设计CPU由控制单元和算术逻辑单元组成。

控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责算术和逻辑运算。

1.2 指令设计设计一套简单的指令集，包括算术运算指令、逻辑运算指令、数据传输指令等。

1.3 寄存器设计设计一组通用寄存器，用于存储数据和地址。

2. 存储器设计2.1 主存储器设计一块主存储器，用于存储指令和数据。

2.2 辅助存储器设计一个简单的辅助存储器，用于存储大容量的数据。

3. 输入输出设备设计3.1 键盘输入设备设计一个键盘输入设备，用于接收用户的输入。

3.2 显示器输出设备设计一个显示器输出设备，用于显示计算结果。

四、实施步骤1. CPU实现1.1 根据CPU的硬件设计，搭建电路原型。

1.2 编写控制单元的逻辑电路代码。

1.3 编写算术逻辑单元的逻辑电路代码。

1.4 进行仿真验证，确保电路的正确性。

2. 存储器实现2.1 设计主存储器的存储单元。

2.2 设计辅助存储器的存储单元。

2.3 编写存储器的读写操作代码。

2.4 进行存储器的功能测试，确保读写操作的正确性。

3. 输入输出设备实现3.1 设计键盘输入设备的接口电路。

3.2 设计显示器输出设备的接口电路。

3.3 编写输入输出设备的读写操作代码。

3.4 进行输入输出设备的功能测试，确保读写操作的正确性。

五、实验结果与分析通过对CPU、存储器和输入输出设备的实现，我们成功设计了一个基于冯·诺依曼体系结构的简单计算机系统。

计算机组成原理课程设计设计任务：综合前面实验单元典型部件设计与调试，对数据选择器（A、B）、计数器、运算器、寄存器和微程序控制器透彻了解的基础上，完成一个简单计算机的设计，使其具有简单运算功能：取数、读数、做加法、送数等。

设计目的：通过一个简单计算机的设计，对计算机系统的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序的编制与调试等全过程有一个较为综合、深入的认识和理解。

设计与调试步骤：结合计算机组成原理的教学内容和课程设计平台系统，计算机的设计与调试步骤如下：数据通路：数据通路的设计在总体结构中是最重要的一个环节。

实验室的仿真模型机的数据通路是以总线为基础、以CPU为核心构成的。

系统简介:机器指令存放在3#RAM中将3#RAM作为内存使用，机器指令是按由上到下顺序执行的，其执行顺序由PC（程序计数器）和MAR（地址寄存器）控制。

2#RAM和1#RAM作为控制存储器简称为控存一条微指令由十六个微命令组成高八位存放于2#RAM中，低八位存放于1#RAM中。

后继地址有三种形成方式μIR2μIR1μIR0为001时μPC+1安顺序执行微指令为010时JP无条件转移，地址由μIR15-8提供。

本简单计算机基于简化处理μIR15-8均为0它代表了均跳向为指令寄存器的00入口即取指令入口。

为011时QJP高四位安机器指令的操作码转移，第四位为0其由后继地形成逻辑实现，所有涉及的地址转移均为指令的转移。

因为机器指令是按顺序执行的。

每按一次单脉冲键执行一条微指令，一条机器指令由若干条微指令组成，一条微指令由十六个微命令组成其中因为μIR3μIR6μIR7全为零故省略掉了。

为保证机器指令是从第一条开始顺序执行的，在操作前应按一次复位键将微指令计数器μpc，机器指令计数器pc，内存地址寄存中的内容清零。

第一条微指令地址为00，微操作为RAM→IR即从内存中取出指令放到机器指令寄存器中，此时地址寄存器中的内容为00，所以在3#RAM的00地址中取出MOV1指令18，取出指令后PC+1→PC（01）为取下一条内存内容做好准备，再按一次单脉冲键执行QJP及按操作码转移，此时指令寄存器中存放的为18 操作码为0001，所以转移后高四位为：0001 低四位为全零：0000 。

一、课程设计题目简单模型机的微程序设计二、课程设计目的a)计算机的硬件基本组成；b)计算机中机器指令的设计；c)计算机中机器指令的执行过程；d)微程序控制器的工作原理。

e)微指令的格式设计原则；三、问题解决（1）、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。

答：第24-19位称为算逻部件的控制字段；第18位为存储器功能控制字段，第17,16位为选择字段，用于选择外设和内存；第15-13位称为A字段，用于产生各寄存器的数据装入微命令；第12-10位称为B字段，用于控制各寄存器的数据送入总线的微命令；第9-7位称为C字段，用于微指令控制空能；NA字段为第6-1位，用于下条指令地址的计算。

其中算逻部件控制字段，存储器功能控制字段，选择字段，ABC字段均为不译码的，NA字段在C字段为000时不译码，为001,010,011,100时分别进行P(1)-P(4)测试译码，可看为间接译码，是将其与IR字段部分位相或算出下条指令地址。

（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。

答：微程序中的微指令不是顺序执行的，如为P(1) [或者P(2)/ P(3)/ P(4)]测试，则次地址的微地址的4~1位是用次地址字段NA（4~1位）或指令寄存器IR（8~5位）所产生，NA字段的6~5位保持不变；如不是测试的话，那么次地址即为该微指令NA字段所指向的微地址。

当设计的微指令指向下条指令，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释其它指令的微指令的微地址冲突。

答：在微程序中根据机器指令的5~8位进行测试，实现相关分支。

在设计机器指令时需考虑对应的微地址入口，每个机器指令均需对应一个微指令的地址。

计算机组成原理课程设计报告书计算机组成原理课程设计报告书目录一．实验计算机设计11.整机逻辑框图设计12.指令系统的设计23．微操作控制部件的设计54．设计组装实验计算机接线表135．编写调试程序14二．实验计算机的组装14三．实验计算机的调试151.调试前准备152.程序调试过程163.程序调试结果164.出错和故障分析16四．心得体会17五．参考文献17题目研制一台多累加器的计算机一实验计算机设计1.整机逻辑框图设计此模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。

1.运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个通用寄存器R0，R1，R2等组成。

2.控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。

3.存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。

4输入设备是由置数开关SW控制完成的。

5.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的LR0LR1LR2寄存器AxBxCxR0-GR1-GR2-G数据总线（D_BUS）ALU-GALUMCNS3S2S1S0暂存器LT1暂存器LT2LDR1LDR2移位寄存器MS1S0G-299输入设备DIJ-G微控器脉冲源及时序指令寄存器LDIR图中所有控制信号LPCPC-G程序计数器LOADLAR地址寄存器存储器6116CEWE输出设备D-GW/RCPU图1整机的逻辑框图图1-1中运算器ALU由U7--U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。

微控器部分控存由U13--U15三片2816构成。

除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。

存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H--FFH。

输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。

计算机组成原理课程设计报告班级：计算机________ 班姓名： _________ 学号:完成时间：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：1. 模型机总体结构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。

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，用指令码作为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。