武漢理工大學(xué)計算機組成原理課程設(shè)計.docx

武漢理工大學(xué)計算機組成原理課程設(shè)計目 錄課程設(shè)計任務(wù)書21課程設(shè)計目的32課程設(shè)計設(shè)備33課程設(shè)計內(nèi)容33.1課程設(shè)計原理33.2實驗步驟73.2.1接線73.2.2寫入實驗程序并校驗83.2.3運行程序104課程設(shè)計結(jié)果105課程設(shè)計總結(jié)125.1每條機器指令的微程序125.2課程設(shè)計的心得、經(jīng)驗教訓(xùn)及注意事項125.2.1心得體會125.2.2經(jīng)驗教訓(xùn)125.2.3注意事項13參考文獻13利用32M8位設(shè)計128M32位存儲器14課程設(shè)計成績評定表15課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： XXX 專業(yè)班級： 軟件工程ZY1201班 指導(dǎo)教師： 田小華 工作單位： 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 題目：基本模型機及利用32M8位設(shè)計128M32位存儲器初始條件1完成計算機組成原理課程教學(xué)與實驗2TDCMA計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)要求完成的主要任務(wù)（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1掌握復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機的微控制器功能與結(jié)構(gòu)特點2熟悉TDCMA教學(xué)實驗系統(tǒng)的微指令格式3設(shè)計五條機器指令，并編寫對應(yīng)的微程序4在TDCMA教學(xué)實驗系統(tǒng)中調(diào)試機器指令程序，確認(rèn)運行結(jié)果5建立復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機的整機概念模型時間安排1第19周周一（6月23日）：全體集中講解課程設(shè)計原理與方法2第19周周一至周五（6月23日27日）：分班實驗，調(diào)試機器指令程序指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任簽名： （或責(zé)任教師） 年 月 日17基本模型機及利用32M8位設(shè)計128M32位存儲器1 課程設(shè)計目的掌握計算機功能模塊的原理和關(guān)系，建立計算機整機概念。2 課程設(shè)計設(shè)備TDNCM計算機組成原理實驗系統(tǒng)，排線若干。3 課程設(shè)計內(nèi)容3.1 課程設(shè)計原理AR本次課程設(shè)計實現(xiàn)一個簡單的CPU，由此構(gòu)建一個簡單模型計算機。CPU由ALU、微控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成，如圖1所示。PCIR控制器R0ABALU圖1 基本CPU構(gòu)成原理圖該CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備執(zhí)行機器指令的功能。在CPU基礎(chǔ)上，增加一個主存和基本的輸入輸出部件，構(gòu)成一個簡單的模型計算機。1課程設(shè)計采用五條機器指令：IN，ADD，OUT，JMP，HLT，對應(yīng)源程序內(nèi)容如下：表1 機器指令對應(yīng)的源程序地址內(nèi)容助記符說明0000 00000010 0000; START: IN R0學(xué)號R00000 00010000 0000; ADD R0, R0R0R0R00000 00100011 0000; OUT R0R0LED0000 00111110 0000; JMP START跳轉(zhuǎn)至00地址0000 01000000 0000;0000 01010101 0000; HLT停機指令碼中高4位操作碼，JMP為雙字節(jié)指令，其余為單字節(jié)指令。微控制器實驗的指令是手動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取機器指令并執(zhí)行。2. 微指令格式課程設(shè)計在微控制器實驗的基礎(chǔ)上，增加了PC、AR和主存，在微指令中應(yīng)增加相應(yīng)的控制位，其微指令格式見表2。表2 微指令格式2322212019181514121198650M23M22WRRDIOMS3S0A字段B字段C字段MA5MA0A字段B字段C字段141312選擇11109選擇876選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P010LDB010R0_B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101LOAD101保留101LDPC110LDAR110PC_B110保留111LDIR111保留111保留3數(shù)據(jù)通路圖根據(jù)以上設(shè)計要求，相關(guān)的數(shù)據(jù)通路圖見圖2。譯碼INOUTIRPCBAMEM控制信號控制器ARR0ALU圖2 數(shù)據(jù)通路圖4微程序流程圖 系統(tǒng)涉及到的微程序流程圖，詳見圖4。當(dāng)擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P測試。指令譯碼原理見圖3所示，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的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機使用指令寄存器的高6位（IR7IR2）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址，微程序流程圖上的單元地址均為16進制編碼的地址。圖3 指令譯碼原理圖圖4 簡單模型機微程序流程圖5微指令二進制微代碼表當(dāng)全部微程序設(shè)計完畢，應(yīng)將每條微指令代碼化，見表3。表3 二進制微代碼表地址十六進制高五位S3S2S1S0A字段B字段C字段MA5MA000Q00 00 0100000000000000000000000101Q00 6D 4300000000011011010100001103Q10 70 7000010000011100000111000004Q00 24 0500000000001001000000010105Q04 B2 010000010010110010000000011DQ10 51 4100010000010100010100000130Q00 14 0400000000000101000000010032Q18 30 0100011000001100000000000133Q28 04 0100101000000001000000000135Q00 00 350000000000000000001101013CQ00 6D 5D0000000001101101010111016機器指令程序設(shè)計一段機器指令程序：從IN單元讀入自己的學(xué)號，存放于R0，將R0和R0相加，結(jié)果存于R0，再將R0的值送到OUT單元顯示。機器指令程序可參見表1，其中的地址和內(nèi)容均為二進制。3.2 實驗步驟3.2.1 接線按圖5進行接線：圖5 實驗接線圖3.2.2 寫入實驗程序并校驗寫入實驗程序，并進行校驗，可用手動或聯(lián)機寫入。 1手動寫入或校驗（1）手動寫入微程序?qū)㈤_關(guān)KK1置為“停止”，KK3置“編程”，KK4置“控存”，KK5置為“置數(shù)”擋；使用CON單元的SD5SD0給出微地址，IN單元給出低8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低8位；開關(guān)KK5置為“加1”擋；IN單元給出中8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的中8位；IN單元給出高8位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高8位；重復(fù)、四步，將表3的微代碼寫入EPROM2816芯片。（2）手動校驗微程序?qū)K1置為“停止”，KK3置為“校驗”，KK4置為“控存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M7M0顯示該單元的低8位；將開關(guān)KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M15M8顯示該單元的中8位；MC單元的數(shù)據(jù)指示燈M23M16顯示該單元的高8位；重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗。（3）手動寫入機器指令程序?qū)K1置為“停止”，KK3置為“編程”，KK4置為“主存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD05SD00給出地址，IN單元給出該單元應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該存儲器單元；開關(guān)KK5置為“加1”擋；IN單元給出下一個地址（地址自動加1）應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，將IN單元的數(shù)據(jù)寫到該存儲器單元中；然后地址會又加1，只需在IN單元輸入后續(xù)地址（地址自動加1）應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，即可完成對該單元的寫入。亦可、兩步，將所有機器指令寫入主存芯片中。（4）手動校驗機器指令程序 將KK1置為“停止”，KK3置為“校驗”，KK4置為“主存”，KK5置為“置數(shù)”使用CON單元的SD07SD00給出地址，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)；開關(guān)KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)；此后每兩次按動開關(guān)ST，地址自動加1，CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)指示燈D7D0顯示該單元的數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行該操作，直至完成校驗。2聯(lián)機寫入和校驗聯(lián)機軟件提供微程序和機器指令程序下載功能，但是微程序和機器指令程序在下載時有規(guī)定的格式，詳見實驗指導(dǎo)書。選擇聯(lián)機軟件的“轉(zhuǎn)儲裝載”功能，在打開文件對話框中選擇相關(guān)文件，軟件自動將機器指令程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?。?lián)機軟件在Sample文件夾中提供了本次課程設(shè)計的微程序，可以通過選擇“CPU與簡單模型機設(shè)計實驗.txt”直接加載微程序代碼，省去了手動輸入代碼的麻煩。代碼的內(nèi)容如下：$P 00 20 ; START: IN R0 從IN單元讀入數(shù)據(jù)送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，結(jié)果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT單元顯示 $P 03 E0 ; JMP START 跳轉(zhuǎn)至00H地址 $P 04 00 ; $P 05 50 ; HLT 停機 $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC-AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM-IR, P $M 04 002405 ; R0-B $M 05 04B201 ; A加B-R0 $M 1D 105141 ; MEM-PC $M 30 001404 ; R0-A $M 32 183001 ; IN-R0 $M 33 280401 ; R0-OUT $M 35 000035 ; NOP $M 3C 006D5D ; PC-AR,PC加1選擇聯(lián)機軟件的“轉(zhuǎn)儲刷新指令區(qū)”功能，可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。對照文件檢查微程序和機器指令程序是否正確。3.2.3 運行程序1本機運行將開關(guān)KK1、KK3置為“運行”檔，按動CON單元的總清開關(guān)CLR，將使PC、AR和微程序地址為00H，程序可以從頭開始運行，暫存器A，B，指令寄存器IR和OUT單元也會被清零。將KK2置為“單步”檔，每按動一次ST按鈕，即可單步運行一條微指令，對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運行完一條微指令，觀察一次CPU內(nèi)總線和地址總線，對照數(shù)據(jù)通路圖，分析總線上的數(shù)據(jù)是否正確；結(jié)果正確后請截取屏幕并保留屏幕文件，作為結(jié)果放到課程設(shè)計報告中。當(dāng)模型機執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)據(jù)是否為IN單元值的2倍；按下CON單元的總清開關(guān)CLR，將IN單元的數(shù)據(jù)改變?yōu)閷W(xué)號的2倍，再次執(zhí)行機器指令程序，從OUT單元顯示的數(shù)據(jù)判斷程序執(zhí)行是否正確，結(jié)果正確后請再次截取屏幕并保留屏幕文件，作為結(jié)果放到課程設(shè)計報告中，方便比較結(jié)果。2聯(lián)機運行將KK1、KK3置為“運行”檔，進入軟件界面，選擇菜單命令“實驗簡單模型機”，打開簡單模型機數(shù)據(jù)通路圖。按動CON單元的總清開關(guān)CLR，然后通過軟件運行程序，選擇相應(yīng)的功能命令，即可聯(lián)機運行、監(jiān)控、調(diào)試程序，當(dāng)模型機執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數(shù)據(jù)是否為OUT單元值的2倍。在數(shù)據(jù)通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程，并觀察軟件中地址總線、數(shù)據(jù)總線以及微指令顯示和下位機是否一致。4 課程設(shè)計結(jié)果本次課程設(shè)計取R0CCH。通過IN單元將R0的值輸入，并打開簡單模型機數(shù)據(jù)通路圖。程序運行前通路圖如下：圖6 課程設(shè)計實驗結(jié)果（一）在軟件界面選擇工具欄上的命令“單周期運行”，開始執(zhí)行程序。觀察軟件界面數(shù)據(jù)通路圖的變化。當(dāng)程序運行結(jié)束時，數(shù)據(jù)通路圖如下：圖7 課程設(shè)計實驗結(jié)果（二）5 課程設(shè)計總結(jié)5.1 每條機器指令的微程序表4 微程序指令對應(yīng)的機器指令機器指令S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8ABCUA5 UA4 UA3 UA2 UA1 UA0IN0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 0ADD0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 0OUT0 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 0JMP0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 1 1 1 1 0給出每條機器指令的微程序：$P 00 20 ; IN的機器指令$P 01 00 ; ADD的機器指令$P 02 30 ; OUT的機器指令$P 03 E0 ; JMP的機器指令5.2 課程設(shè)計的心得、經(jīng)驗教訓(xùn)及注意事項5.2.1 心得體會（1）計算機組成原理的課程設(shè)計需要十分用心去做，因為CPU的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要仔細(xì)連線，最好是按照一定順序連線并做標(biāo)記，這樣不容易出錯。另外，排線的顏色過渡方向與接口編號大小最好按一定的規(guī)律，防止像A7A0這樣的接口接反。（2）由于是兩個人一組共同完成課程設(shè)計的實驗，因而團隊配合尤為重要，兩個人的默契配合會使實驗進行更為順利。（3）當(dāng)實驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤時，需要耐心檢查連線，不可抱有僥幸心理。5.2.2 經(jīng)驗教訓(xùn)本次課程設(shè)計的實驗過程中，出現(xiàn)了連線錯誤，導(dǎo)致IN單元中的數(shù)據(jù)沒有傳輸給內(nèi)存中，耽誤了大量時間。連線過程中除了注意排線方向，還需要注意單接線柱接口用2芯排線連接時，只可用其中的1芯連接。此外，聯(lián)機軟件使用不熟練，開始時沒能將微程序指令正確導(dǎo)入裝置中，也是本次課程設(shè)計的一個教訓(xùn)。5.2.3 注意事項（1）注意連線過程中排線的高低位要對應(yīng)（2）注意將排線插緊，不能出現(xiàn)松動（3）注意連線時及時標(biāo)記已連接的線，不要多連或少連（4）聯(lián)機運行時，注意在連線檢測后和其它需要的步驟按下CLR，否則可能會得出錯誤的實驗結(jié)果。參考文獻1西安唐都科教儀器公司計算機組成原理實驗指導(dǎo)書R2008.1.102美William S