计算机组成原理

课程设计任务书设计题目模型机设计与实现设计目的1. 巩固和加深所学的硬件系统知识；2. 学习和掌握硬件系统的设计方法；3．掌握计算机各模块的原理和相互关系,建立计算机整机概念4．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-CM+教案实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果时间安排1.第19周周1(1月7日下午>:全体集中讲解课程设计原理与方法2.第19周周1～5(1月7～11日>:分班调试，撰写设计报告具体要求1．1月7日周6：熟悉任务，掌握设备2．周日：完成模型机的实验线路连接3．周1：调试模型机，记录实验结果4．周2：拟定课程设计报告大纲5．周3：撰写并打印课程设计报告指导教师签名：田小华 2018年1月6日教研室主任签名： 20 年月日目录一、程序设计41.1程序设计目的41.2实验设备41.3程序设计基本原理4二、课程设计任务及分析43.1机器指令53.2微程序流程图53.3微指令代码73.4课程设计实现步骤83.4.1实验箱接线图83.4.2 操作步骤9四、实验运行结果11五、课程设计总结125.1机器指令的微程序(十六进制格式>:125.2个人总结13六、参考文献14一、程序设计1.1程序设计目的1.巩固和加深所学的硬件系统知识；2.学习和掌握硬件系统的设计方法；3．掌握计算机各模块的原理和相互关系,建立计算机整机概念4．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1.2实验设备PC微机一台及TDN-CM组成原理实验系统一台，排线若干。

1.3程序设计基本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，而本次课设是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。

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、访问存储器及转移指令和停机指令二、课程设计任务及分析从输入设备中读取数据X并将其存入以K为直接地址的内存单元，计算2X，取反后加X减1并将结果存入以N为间接地址的内存单元，最后输出。

在进行这一次设计之前，我们先明确的这次设计的大体过程,画大体图—汇编程序—流程图—微指令代码—检查，然后我们进行了下一步骤，观察任务在进行这一次的设计之时首先我们看见了在读取与储存时的两种不同的寻址方式，想到了这两种的不同，具体表示在流程图上面就是间接寻址要通过地址先找地址再找数据所以要分两次，然后我们又看了看我们的运算所需要的过程，参考书本后，我们决定了将2X通过一次X加X算术运算来实现，因为2X的取反只需要做非运算即可，非运算书上有，加法运算书上有，减1运算书上面也有，于是我们就决定在预算过程过程中通过4次来实现，所以我们想到了先计算X加X然后在将2X求非再加X最后减1的运算流程，于是一个初步的构想于是就这样形成了，在写汇编程序时候我们也是忠实的按照这个构想来写的。

设计顺序大致如下：先画出了程序的流程，然后写出了汇编程序，并且写出了机器指令，其次我们完成了总体的流程图，然后根据流程图写出了微指令以及微指令代码，将机器指令代码与微指令代码写成了一个txt文档用机器录入，运行程序，对照程序上面显示的图与我们画的流程图进行对照，检查来判断这次实验的成功与否。

三、设计原理3.1机器指令在部件实验中，我们是人为用二进制开关来模拟一些控制信号来完成数据通路的控制。

而在本课程设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本设计的规定项目采用五条机器指令：IN<输入）、MOV<将最终计算结果存入间接地址中）、ADD<二进制加法）、NOT(给2X取非>、STA<将X存入直接地址中）、DEC(减1>、OUT<输出）、HLT<保持执行结束状态，不再执行操作），其指令格式如下表3.1<前四位是操作码）：表3.1 机器指令格式3.2微程序流程图图3.1 微程序运行流程图图3.2 控制台运行流程图3.3微指令代码表3.2微指令代码指令寄存器(IR>用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，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”(实验板上标有“INS DECODE”的芯片>根据指令中的操作码译码结果强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应得微程序首地址。

本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE>。

另一种是数码管，它作为输出设备(OUPUT DEVICE>。

例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。

输出时，将输出的数据送到数据总线BUS上，当写信号(W/R>有效时，将数据打入输出锁存器，并在数码管显示。

其微指令格式为：表3.3微指令格式3.4课程设计实现步骤3.4.1实验箱接线图接线图如下图3.1所示，按图仔细接线，确保完全无误。

图3.13.4.2 操作步骤<1）微控器编程开关拨至RUN,“STEP”→STEP，“STOP”→RUN<2）实验箱利用COM1口与微机连接，实验箱加电，启动微机：①进入安装实验系统的目录，例如D:\CMP；②对实验箱复位；③桌面上选择CMP图标，运行CMP.EXE，进入实验运行环境；④选择转载菜单的装载功能：C:\TANGDU\CMP\SAMPLE\EX1.TXT；⑤选择数据通路图标：在INPUT单元开关置班号01,内存0AH单元置学号1B⑥CLR:1→0→1⑦运行菜单的连续运行功能，若运行正确，将在“OUTPUT”模块看到十六进制的结果班号01加学号1B的和1C；C:\TANGDU\CMP\SAMPLE\EX1.TXT文本文件内容如下：机器指令程序$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A09机器指令对应的微程序$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400B005$M0501A206$M06959A01$M0700E00D$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D028201$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11若运行不正确，首先检查连线有无错误四、实验运行结果线路连机成功后，联机运行时通路空屏框图如图4.1所示：数据通路完成框图如图4.2所示：五、课程设计总结5.1 机器指令的微程序(十六进制格式> :IN:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H20Q: 01ED92HADD:01Q: 01ED82H02Q: 00C048H11Q: 01ED83H03Q: 00E004H04Q: 00B005H05Q: 01A206H06Q: 959A01HSTA:01Q：01ED82H02Q：00C048H12Q：01ED87H07Q：00E00DH15Q：028201HOUT:01Q：01ED82H02Q:00C048H13Q: 01ED8EH16Q: 00E00FH17Q:00A015H25Q:070A10HJMP:01Q: 01ED82H02Q:00C048H14Q: 01ED96H26Q: 00D181H5.2 个人总结本次实验中，在田老师的耐心讲解下，我很成功地完成了这次实验，运行得到了课设要求的结果。

其过程大至分为三大步，首先，是连接电路。

其次，装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行,通过观察运行情况和数据在总线上的流动,了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义。

最后，自己设计程序并装载运行并检验运行结果。

对于自己要设计的程序首先根据题目要求写出它的汇编格式，再根据这个汇编格式写出机器指令并设计出微程序流程图。

最后根据所设计的微程序流程图写出其微指令代码。

这些工作完成后把所设计的机器指令和微程序代码改写成指定的格式装载到实验系统上运行，观察运行过程和设计目的是否一致。

如果不一致,要进行适当的修改直到一致为止。

经过多次修改，最终实现设计要求。

本次课程设计我们要设计一台微程序控制的模型机, 了解了一个比较成熟的模型机的实现,完成对计算机组成原理这门课程的综合应用,达到学习本书的作用.作为一个计算机系学生这是必需掌握的。

使我们对数据选择器、移位器、加法器、运算器、存储器和微程序控制器，有了比较透彻的认识。

设计结束了，从中我们也学到了不少知识.也意示到了动手能力的重要性，本次实验中线路比较复杂，如果在接线过程中不认真仔细看图连线，是不可能得到实验结果的。

这也告诉了我，在以后的工作中，若想高效率地完成任务，动手能力还有待提高。

六、参考文献[1]《计算机组成原理》科学出版社白中英著[2]《计算机组成原理实验书》安徽大学周勇著[3]《计算机组成原理与系统结构实验教程》西安唐都科教仪器公司著。