基本模型机设计

摘要本次课程设计通过设计一套简单计算机模型的方案，微指令、微程序的设计实现计算机的基本功能、经过不断调试最终达到了设计要求，从而较为系统地掌握计算机中的运算器、寄存器、译码电路、存储器、和存储微指令等硬件组成的相关知识，实现知识融会贯通的目的。

设计中使用的运算器是74LS181，存储器是6264，与相应的译码电路、锁存电路以及输入输出电路组成了模型机的硬件基础。

当然光有硬件电路不是一个完整的计算机，本设计还设计了相应的微指令和微程序组成具有一定功能的指令系统，包括IN,OUT,STA,LDA,JMP,BZC,CLR,MOV,AND,OR,HLT。

为了测试指令系统的正确性，设计中还编写了小程序来验证指令。

关键词：计算机组成；微指令；微程序；控制存储器；移位运算目录摘要 (1)目录 (2)前言 (3)第一章模型机设计概述 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计任务 (4)1.3设计要求 (5)1.4设计原理 (5)第二章模型机总体设计 (8)2.1模型机的逻辑结构 (8)2.1.1运算器的物理结构 (8)2.1.2存储器系统的组成与说明 (9)2.1.3 微程序控制器逻辑结构及功能 (10)2.2模型机的工作过程 (10)2.3带进位运算的模型机监控软件设计 (10)2.4数据通路图 (11)2.5 连接线路图 (13)第三章详细设计 (13)3.1运算器设计 (13)3.1.1运算器中各芯片的连接图 (14)3.1.2运算器功能及说明 (14)3.2存储器设计 (16)3.3指令系统设计 (17)3.3.1指令寻址方式 (17)3.3.2指令格式 (18)3.4微程序控制器设计与实现 (21)3.4.1微程序控制器的原理 (21)3.4.2微程序流程图 (22)3.4.3二进制微代码表设计 (24)3.4.4微指令格式设计 (25)3.4.5后续地址产生方法 (27)3.4.6微程序入口地址的形成 (28)3.4.7微程序 (28)3.5输入输出模块 (30)第四章系统调试及运行报告 (33)4.1汇编小程序 (33)4.2系统调试 (33)4.3调试时的问题及解决 (33)总结 (35)参考文献 (36)致谢 (37)前言随着社会科技的发展，计算机被应用到各行各业，人们步入自动化、智能化的生活阶段。

本次课程设计课题是基本模型机的设计与实现，它正体现了这一点。

利用CPU与简单模型机来实现计算机组成原理课程及实验中所学到的实验原理和编程思想，硬件设备自拟，编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能，最终达到将理论与实践相联系。

本次设计完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。

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，本课程设计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，通过设计流程图，编写机器指令，微指令和控制信号程序。

首先向存储器（RAM）中装入数据和程序，然后检查写入是否正确，启动程序执行。

另外，还需设计三个控制台操作微程序：存储器读操作（READ），存储器写操作（WRITE），运行程序(RUN)。

以上各微指令设计完毕后，连接线路在计算机组成原理教学实验箱运行程序，并将实验结果显示输出。

第一章模型机设计概述1.1设计目的通过课程设计加深对计算机各功能部件的理解；掌握数据信息流和控制信息流的流动和实现过程，建立起整机概念；培养设计、开发和调试计算机的能力。

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。

（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）为其定义十二条机器指令，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。

1.2设计任务计算机系统设计的总体目标是设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。

该设计要求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。

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8位移位运算指令的整机模型。

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。

1.3设计要求根据理论课程所学的知识，设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的模型机，具体要求如下：（1）利用各单元实验和课堂上所学知识，选择适当的芯片，设计简单的计算机系统；（2）在完成数据通路设计并验证数据通路功能的基础上增加指令和微指令控制的功能；（3）以手动方式产生各指令执行过程中所需要的微命令,控制指令的执行；（4）以自己所设计的计算机系统为硬件环境，设计出完成指定功能的各指令周期流程图，并设计出相应的微命令；（5）设计时序列电路，产生满足指令周期和指令执行所需要的多级时序信号；设计控存，将各指令的微程序存放在CM中，经过适当的时序控制，通过微程序自动控制指令的执行(当采用微程序控制器时)。

1.4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，而本次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。

实验系统中模型机的运行是在微程序的控制下进行的，在实验平台中，模型机从内存中取出、解释、执行机器指令都将由微指令和与之相配合的时序来完成。

计算机中CPU是核心，它是通过指令和微指令的执行来工作的。

指令是计算机要完成的某一项功能。

它对应到执行的过程中是一段微程序。

一段微程序含多条为指令，而一条微指令又含多个微命令。

一个微命令驱动某个硬件部件执行某种操作。

通过这样一个关系，从而达到由计算机指令来驱动计算机各个硬部件的协调工作以实现一条指令的执行。

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与一个微程序。

模型机包括运算器，存储器，微控器，输入设备，输出设备以及寄存器。

这些部件的动作控制信号都有微控制器根据微指令产生。

需要特别说明的是由机器指令构成的程序存放在存储器中，而每条机器指令对应的微程序存储在微控制器的存储器中。

（1）运算器。

运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。

ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由4个4位的74LS181串联成16位的运算器，ALU_G是ALU-G实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU的运算结果进行移位运算；数据暂存器由DR1和DR2组成，DR1和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；通用寄存器由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。

（2）控制器。

控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。

微程序控制器里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现（A138、B138和P138），用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于指明要读取或写入的地址；程序计数器由PC_G和PC组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。

（3）存储器。

存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。

（4）数据总线。

数据总线用于连接运算器、存储器、输入输出等模块。

（5）输入输出。

输入输出类似于键盘和显示器。

（6）时序产生器。

T1、T2、T3和T4等控制信号都是由时序产生器生产，时序产生器一个周期中产生四个脉冲信号T1~T4，这四个脉冲信号用于控制组件的执行顺序，组件在这些信号的控制下有序的执行，一个周期中完成一条微指令的执行。

本设计采用12条机器指令：IN（输入）、LDA（取数）、STA（存数）、OUT（输出）、AND(逻辑与)、JMP（无条件转移）、BZC(为零或有进位转移)、MOV(数据传送)、CLR(位清零)、OR(逻辑或)、NOT(逻辑非)、HLT(处理器暂停指令)、ADD(加法) 为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。

存储器读操作（KRD）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为00时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。

存储器写操作（KWE）：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为01时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写入。

启动程序：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为11时，按START微动开关，即可转入到第01号取址微指令，启动程序运行。

第二章模型机总体设计2.1模型机的逻辑结构简单的模型计算机是由运算器、控制器、存储器、总线、输入输出和时序产生器组成。

在模型机中，我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减、与、或指令。

把通用寄存器作为累加器A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。

模型机组成结构图如下所示：图2.1 模型机组成结构图2.1.1运算器的物理结构运算器模块主要由四片74LS181、暂存器两片74LS273等构成。

其中74LS181可通过控制器相应的控制指令来进行某种运算，具体由S0、S1、 S2、S3、S4、M 来决定。

T4是它的工作脉冲，正跳变有效。

寄存器堆模块为实验计算机提供了2个8位通用寄存器。