组成原理课程设计 设计一台实验计算机

课程设计课程名称：计算机组成原理设计题目：一个非常简单的CPU的设计学院：信息工程与自动化专业：计算机科学与技术年级： 08级 1班学生姓名：张桥指导教师：李凌宇日期： 2010-9-9教务处制课程设计任务书信息工程与自动化学院计算机专业 08 1 年级学生姓名：张桥课程设计题目：一个简单的CPU的设计课程设计主要内容：设计一台完整的计算机。

首先要确定该计算机的功能和用途。

在设计中根据功能和用途确定指令系统，定义数据通路，设计每条指令的执行流程，要求利用微程序进行设计，每人至少要求4条CPU指令，可以自己选择；在设计中要求画出指令系统的格式并说明各位的意义；要求画出数据通路并定义微操作信号；要求画出微程序流程图。

设计指导教师（签字）：教学基层组织负责人（签字）：年月日一台模型计算机的设计一、教学目的、任务与实验设备融会贯通本课程各章节的内容，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。

二、数据格式和指令系统本模型机是一个8位定点二进制计算机，具有四个通用寄存器：R 0～R 3，能执行11条指令，主存容量为256KB 。

1． 数据格式数据按规定采用定点补码表示法，字长为8位，其中最高位（第7位）为符号位，小数点位置定在符号位后面，其格式如下：数值相对于十进制数的表示范围为：－1≤X ≤1―2―72． 指令格式及功能由于本模型机机器字只有8位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指令。

⑴ LDR Ri ，D格式 7 4 3 2 1 0功能：Ri ←M （D ）（2） STR Ri ，D格式功能：M （D ）←（Ri ）（3） ADD Ri ，Rj格式 功能：Ri ←（Ri ）＋ （Rj ）（4） SUB Ri ，Rj格式 7 4 3 2 1 0功能：Ri ←（Ri ）－ （Rj ）（5） AND Ri ，Rj格式功能：Ri ←（Ri）∧（Rj）（6）OR Ri，Rj格式功能：Ri ←（Ri）∨（Rj）（7）MUL Ri，Rj格式7 4 3 2 1 0功能：Ri ←（Ri）×（Rj）（8）转移指令格式7 4 3 2 1 0功能：条件码00 无条件转移PC ←D01 有进位转移PC ←D10结果为0转移PC ←D11结果为负转移PC ←D⑼IN R i，M j格式其中M j为设备地址，可以指定四种外围设备，当M j=01时，选中实验箱的二进制代码开关。

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。

《计算机组成原理》课程设计报告课程设计题目：两个数的乘法运算小组成员：….完成日期：第十一周模型机设计实验一、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模型计算机。

其功能为：输入两个数，进行两个正数（二进制4位）的乘法运算,输出结果。

二、实验内容编写程序，运行程序，观察并记录运行结果。

三、实验仪器1、ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱一台2、排线若干3、PC机一台四、预备知识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≤X＜127。

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、访问存储器、转移指令和停机指令。

（1）算术逻辑指令规定：算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2—3。

（2）访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令，即存数（STA）、取数（LAD），2条转移指令，即无条件转移（负均可）本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。

（3）I/O指令其中，在IN 指令中，addr=01，选中“输入”中的开关组作为输入设备，在OUT指令中，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码块作为输出设备。

（4）停机指令HALT指令，机器码为60H，用于实现停机操作。

3、指令系统复杂模型机共有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，其它指令1条。

表2-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

我们依然采用复杂模型机指令系统中的部分指令。

五、实验的机器指令程序如下：地址内容助记符说明00 14 IN R0 ; 作计数器用，00000001→R001 15 IN R1 ; 输入X的值，0000xxxx→R102 05 STA R1 ; X→22H03 2204 15 IN R2 ; 输入Y→R2，0000xxxx→R205 06 STA R2 ; R2→23H06 2307 42 CLR R2 ; R2清零08 06 STA R2 ; 存入结果R2→24H09 240A 02 LAD R2 ; 提取[23H]→R20B 230C 6A RRC R2,R2 ; R2带进位右循环一位→R2 0D 06 STA R2 ; 循环结果→23H0E 230F 02 LAD R2 ; 提取结果S，[24H]→R210 2411 0C BZC [15H] ; 有进位跳转到15H12 1513 08 JMP [18H] ; 无条件跳转到[18H]14 1815 01 LAD R1 ; 提取X→R116 2217 56 ADC R1,R2 ; R1+R2→R218 6A RRC R2,R2 ; R2带进位右循环一位→R219 06 STA R2 ; 循环结果→24H1A 241B70 RLC R0,R0 ; R0带进位左循环一位→R0 1C 0C BZC [20H] ; 有进位跳转到20H1D 201E 08 JMP [0AH] ; 无条件跳转到[0AH]1F 0A20 2A OUT R2 ; 输出R2中的结果21 60 HATL ; 停机22 XX23 XX24 XX六、程序机器指令和微程序以上程序的机器指令如下：$P0014 $P0115 $P0205 $P0322$P0416 $P0506 $P0623 $P0772$P0806 $P0924 $P0A02 $P0B23$P0C6A $P0D06 $P0E23 $P0F02$P1024 $P110C $P1215 $P1308$P1418 $P1501 $P1622 $P1756$P186A $P1906 $P1A24 $P1B70$P1C0C $P1D20 $P1E08 $P1F0A$P202A $P2160微程序如下$M00018108 $M0101ED82 $M0200C050$M0300A004 $M0400E098 $M0501B406$M06959B41 $M07298838 $M0801ED8A$M0901ED8C $M0A00A01E $M0B018001$M0C00201F $M0D019801 $M0E19880F$M0F019801 $M1001ED83 $M11001001$M12030401 $M13018016 $M143D9A01$M1501A205 $M16318207 $M1731820E$M18009001 $M19028401 $M1A05DB81$M1B0180DC $M1C018001 $M1D05DB8D$M1E070A08 $M1F068A09七、复杂模型机的数据通路框图WE图2-7复杂模型机数据通路框图八、复杂模型机实验接线图接到指令单元接到开关单元九、复杂模型机实验流程图十、课程设计总结1、成员总结体会…2、遇到的问题和解决的方法等1）寄存器不够用。

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。

目录摘要 (2)前言 (3)正文 (4)一、设计目的和设计原理 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计原理 (4)二、总体设计 (7)三、详细设计 (8)3.1运算器的物理结构 (8)3.2存储器系统的组成与说明 (11)3.3指令系统的设计与指令分析 (12)3.4微程序控制器的逻辑结构及功能 (14)3.5微程序的设计与实现 (18)四、系统调试 (27)总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)摘要根据设计任务书要求，本设计要实现完成一个简单计算机的设计，主要设计部分有运算器，存储器，控制器以及微指令的设计。

其中运算器由运算芯片和寄存器来完成,存储器由总线和寄存器构成，使用硬布线的方式实现控制器，从而完成设计要求。

:关键词：基本模型机的设计；运算器；存储器；控制器；前言计算机组成原理是计算机科学技术学科的一门核心专业基础课程。

从课程的地位来说，它在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。

计算机组成原理讲授单处理机系统的组成和工作原理，课程教学具有知识面广，内容多，难度大，更新快等特点。

此次课程设计目的就是为了加深对计算机的时间和空间概念的理解, 增强对计算机硬件和计算机指令系统的更进一步了解。

计算机组成原理课程设计目的是为加深对计算机工作原理的理解以及计算机软硬件之间的交互关系。

不仅能加深对计算机的时间和空间的关系的理解，更能增加如何实现计算机软件对硬件操作，让计算机有条不紊的工作。

正文一、设计目的和设计原理1.1设计目的融会贯通计算机组成原理课程中各章的内容，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，特别是对硬连线控制器的认识，建立清晰的整机概念。

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。

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。

计算机组成原理CPU设计实验报告课程设计题目:16位CPU设计学院: 信息学院班级:电子A班学号:1115102015姓名:方茹1目录1 实验方法 ..................................................................... . (4)2 总体说明 ..................................................................... ................................................. 5 2.1指令系统: .................................................................... .......................... 5 2.1.1指令格式分类(按指令字长和操作数不同): ...................................................... 5 2.1.2具体指令汇总表: .................................................................... .......................... 6 2.1.3相关指令流程图: .................................................................... .......................... 6 2.1.4指令数据通路的构建: .................................................................... ................... 8 2.1.5指令的分组及节拍: .................................................................... ..................... 12 2.1.6指令执行状态图:(见下页)..................................................................... ........... 13 2.1.7具体微指令: .................................................................... ............................... 13 2.2 系统整体介绍 ..................................................................... .................. 16 2.2.1系统基本模块划分 ..................................................................... ....................... 16 2.2.2总体结构图:(见下页)..................................................................... (17)3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................... ......18 3.1取指令逻辑的设计 ..................................................................... .. (19)3.1.1指令地址的保存 ..................................................................... (19)3.1.2指令存储器 ..................................................................... .................................. 20 3.1.3下一条指令地址的计算 ..................................................................... ................ 20 3.2指令译码逻辑的设计...................................................................... ...................... 21 3.3指令执行逻辑的设计...................................................................... ...................... 22 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................... ................... 23 3.5结果写回逻辑的设计...................................................................... ...................... 24 3.6单周期CPU的总成...................................................................... (25)4各部分说明 ..................................................................... .............................................26 4.1ALU .................................................................................................................... 26 4.2数据选择器BUS_MUX ................................................................ ........................ 28 4.3器件T1 ..................................................................... .......................................... 30 4.4标志寄存器FLAG_REG ............................................................... ........................ 31 4.5T2: .................................................................... ................................................ 33 4.6程序计数器PC ..................................................................... ............................... 33 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR: .................................................................... .. 34 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择.......................................................................36 4.9一位控制信号/WR .................................................................... ........................... 37 4.10 节拍发生器 ..................................................................... .................................. 37 4.11控制逻辑 ..................................................................... ...................................... 39 4.12T3...................................................................... ................................................ 42 4.13REG_OUT ......................................................................................................... 43 4.14存储器 ..................................................................... .......................................... 44 4.15总线选择器 ..................................................................... .. (45)24.16REG_TEST ............................................................... .. (46)5附录: .................................................................... .. (47)附录A:组员分工: .................................................................... .. (47)附录B:组员设计总结: .................................................................... . (47)31 实验方法实验要完成的工作主要包括:指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现(VHDL语言程序的编写)，软件模拟，以及硬件调试。

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。

计算机组成原理实验教案李妍计算机学院计算机系前言学习《计算机组成原理》课程的目的，是让学生建立计算机系统的整机概念。

本实验的任务则侧重于：以基本模型机为对象，了解计算机系统的硬件组成。

在实验中涉及基本模型机的各主要部件的结构与功能任务；涉及微程序设计的方法与理论。

实验的开设是基于COP2000计算机组成原理教学实验系统，该系统的软硬件对用户的实验设计具有完全的开放特性。

COP2000 各实验模块的数据线、地址线与系统之间的挂接是通过三态门，而不是其它实验设备所采用的扁平连线方法，而数据线、地址线是否要与系统连通，则由用户连线控制，这样，就真实的再现了计算机工作步骤。

各寄存器、部件均有8 位数据指示灯显示其二进制值，两个8 段码LED 显示其十六进制值，清楚明了，两个数据流方向指示灯。

以直观反映当前数据值及该数据从何处输出，而又是被何单元接收的。

实验系统各部件可以通过J1、J2、J3 座之间不同的连线组合，可进行各部件独立的实验，也可进行各部件组合实验，再通过与控制线的组合，就可构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机。

本实验台提供三种工作方式1、手动方式不连PC 机，通过COP2000 实验仪的键盘输入程序、微程序，用LCD及各部件的8 个状态LED，两个方向LED 观察运行状态和结果，手动进行实验；2、联机方式连PC 机，通过WINDOWS 调试环境及图形方式进行更为直观的实验。

在WINDOWS 调试环境中提供了功能强大的逻辑分析和跟踪功能，既可以以波形的方式显示各逻辑关系，也可在跟踪器中，观察到当前状态的说明及提示；3、模拟方式不需实验仪，仅需计算机即可进行实验。

系统的数据线、地址线、控制线均在总线插孔区引出，并设计了40 芯锁进插座，供用户进行RAM、8251、8255、8253、8259 等接口器件的扩展实验。

计算机组成原理实验教案1实验一寄存器实验一、实验目的1. 了解模型机中A, W寄存器结构、工作原理及其控制方法。

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082姓名施磊磊学号 **********指导教师顾晖日期 2011.1.10 ～ 2011.1.14一、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，经阿什计算机工作中“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。

二、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；（6）工作小结。

三、数据格式与指令系统1、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 02、指令格式本实验设计使用5条机器指令，其格式与功能说明如下：7 6 5 4 3 2 1 0INADDSTAOUTJMPIN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，结果存放在R0寄存器中。

STA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寄存器中的内容存储到以第二个字为地址的内存单元中。

OUT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，其功能是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线，显示之。

JMP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，其功能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址。

计算机组成原理实验报告课程名称计算机组成原理实验学院专业班级学号学生姓名指导教师2014 年 7 月 3 日目录实验一：基础汇编语言程序设计实验 (5)1实验目的 (5)2实验设备及器材 (5)3实验说明和原理 (5)4实验内容 (6)5实验步骤 (6)6实验截图及思考题 (7)7实验思考与心得 (9)实验二：脱机运算器实验 (10)1实验目的 (10)2实验设备与器材 (10)3实验说明和原理 (10)4实验内容 (11)5实验步骤/表格填写 (11)6实验思考与心得 (12)实验三：存储器部件教学实验 (13)1实验目的 (13)2实验设备与器材 (13)3实验说明和原理 (13)4实验内容 (14)5实验步骤与截图 (14)6实验思考与心得 (15)实验四：组合逻辑控制器部件教学实验 (17)1实验目的 (17)2实验设备与器材 (17)3实验说明和原理 (17)4实验内容 (19)5实验步骤/填表 (19)6实验思考与心得 (23)实验五：微程序控制器部件教学实验 (25)1实验目的 (25)2实验设备与器材 (25)3实验说明和原理 (25)4实验内容 (26)5实验步骤与截图 (27)6实验思考与心得 (30)实验六：输入/输出接口扩展实验 (32)1实验目的 (32)2实验设备与器材 (32)3实验说明和原理 (32)4实验内容 (33)5实验步骤与PC端截图 (33)6实验思考与心得 (35)实验七：中断实验 (36)1实验目的 (36)2实验设备与器材 (36)3实验说明和原理 (36)4实验内容 (37)5实验步骤与中断程序编写 (37)6实验思考与心得 (40)实验九：FPGA芯片实现非流水线的CPU系统(综合实验) (41)1实验目的 (41)2实验设备与器材 (41)3实验说明和原理 (42)4实验内容 (42)5实验步骤与烧录过程 (42)6实验思考与心得 (44)计算机学院学号：姓名教师评定实验题目基础汇编语言程序设计实验实验一：基础汇编语言程序设计实验1实验目的●学习和了解TEC-XP+教学实验监控命令的用法;●学习和了解TEC-XP+教学实验系统的指令系统;●学习简单的TEC-XP+教学实验系统汇编程序设计。