武漢理工大學計算機組成原理課程設計.docx

武漢理工大學計算機組成原理課程設計目 錄課程設計任務書21課程設計目的32課程設計設備33課程設計內容33.1課程設計原理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課程設計結果105課程設計總結125.1每條機器指令的微程序125.2課程設計的心得、經驗教訓及注意事項125.2.1心得體會125.2.2經驗教訓125.2.3注意事項13參考文獻13利用32M8位設計128M32位存儲器14課程設計成績評定表15課程設計任務書學生姓名： XXX 專業(yè)班級： 軟件工程ZY1201班 指導教師： 田小華 工作單位： 計算機科學與技術學院 題目：基本模型機及利用32M8位設計128M32位存儲器初始條件1完成計算機組成原理課程教學與實驗2TDCMA計算機組成原理教學實驗系統要求完成的主要任務（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1掌握復雜指令系統計算機的微控制器功能與結構特點2熟悉TDCMA教學實驗系統的微指令格式3設計五條機器指令，并編寫對應的微程序4在TDCMA教學實驗系統中調試機器指令程序，確認運行結果5建立復雜指令系統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，調試機器指令程序指導教師簽名： 年 月 日系主任簽名： （或責任教師） 年 月 日17基本模型機及利用32M8位設計128M32位存儲器1 課程設計目的掌握計算機功能模塊的原理和關系，建立計算機整機概念。2 課程設計設備TDNCM計算機組成原理實驗系統，排線若干。3 課程設計內容3.1 課程設計原理AR本次課程設計實現一個簡單的CPU，由此構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構成原理圖該CPU在寫入相應的微指令后，就具備執(zhí)行機器指令的功能。在CPU基礎上，增加一個主存和基本的輸入輸出部件，構成一個簡單的模型計算機。1課程設計采用五條機器指令：IN，ADD，OUT，JMP，HLT，對應源程序內容如下：表1 機器指令對應的源程序地址內容助記符說明0000 00000010 0000; START: IN R0學號R00000 00010000 0000; ADD R0, R0R0R0R00000 00100011 0000; OUT R0R0LED0000 00111110 0000; JMP START跳轉至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. 微指令格式課程設計在微控制器實驗的基礎上，增加了PC、AR和主存，在微指令中應增加相應的控制位，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數據通路圖根據以上設計要求，相關的數據通路圖見圖2。譯碼INOUTIRPCBAMEM控制信號控制器ARR0ALU圖2 數據通路圖4微程序流程圖 系統涉及到的微程序流程圖，詳見圖4。當擬定“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的測試結果出現多路分支。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全部微程序設計完畢，應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機器指令程序設計一段機器指令程序：從IN單元讀入自己的學號，存放于R0，將R0和R0相加，結果存于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，可用手動或聯機寫入。 1手動寫入或校驗（1）手動寫入微程序將開關KK1置為“停止”，KK3置“編程”，KK4置“控存”，KK5置為“置數”擋；使用CON單元的SD5SD0給出微地址，IN單元給出低8位應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的低8位；開關KK5置為“加1”擋；IN單元給出中8位應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的中8位；IN單元給出高8位應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關ST，將IN單元的數據寫到該單元的高8位；重復、四步，將表3的微代碼寫入EPROM2816芯片。（2）手動校驗微程序將KK1置為“停止”，KK3置為“校驗”，KK4置為“控存”，KK5置為“置數”使用CON單元的SD05SD00給出微地址，連續(xù)兩次按動開關ST，MC單元的數據指示燈M7M0顯示該單元的低8位；將開關KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關ST，MC單元的數據指示燈M15M8顯示該單元的中8位；MC單元的數據指示燈M23M16顯示該單元的高8位；重復、四步，完成對微代碼的校驗。（3）手動寫入機器指令程序將KK1置為“停止”，KK3置為“編程”，KK4置為“主存”，KK5置為“置數”使用CON單元的SD05SD00給出地址，IN單元給出該單元應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關ST，將IN單元的數據寫到該存儲器單元；開關KK5置為“加1”擋；IN單元給出下一個地址（地址自動加1）應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關ST，將IN單元的數據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）應寫入的數據，連續(xù)兩次按動開關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”使用CON單元的SD07SD00給出地址，連續(xù)兩次按動開關ST，CPU內總線的數據指示燈D7D0顯示該單元的數據；開關KK5置為“加1”擋；連續(xù)兩次按動開關ST，地址自動加1，CPU內總線的數據指示燈D7D0顯示該單元的數據；此后每兩次按動開關ST，地址自動加1，CPU內總線的數據指示燈D7D0顯示該單元的數據，繼續(xù)進行該操作，直至完成校驗。2聯機寫入和校驗聯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，詳見實驗指導書。選擇聯機軟件的“轉儲裝載”功能，在打開文件對話框中選擇相關文件，軟件自動將機器指令程序和微程序寫入指定單元。聯機軟件在Sample文件夾中提供了本次課程設計的微程序，可以通過選擇“CPU與簡單模型機設計實驗.txt”直接加載微程序代碼，省去了手動輸入代碼的麻煩。代碼的內容如下：$P 00 20 ; START: IN R0 從IN單元讀入數據送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，結果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT單元顯示 $P 03 E0 ; JMP START 跳轉至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 $M 3C 006D5D ; PC-AR,PC加1選擇聯機軟件的“轉儲刷新指令區(qū)”功能，可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。對照文件檢查微程序和機器指令程序是否正確。3.2.3 運行程序1本機運行將開關KK1、KK3置為“運行”檔，按動CON單元的總清開關CLR，將使PC、AR和微程序地址為00H，程序可以從頭開始運行，暫存器A，B，指令寄存器IR和OUT單元也會被清零。將KK2置為“單步”檔，每按動一次ST按鈕，即可單步運行一條微指令，對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。每運行完一條微指令，觀察一次CPU內總線和地址總線，對照數據通路圖，分析總線上的數據是否正確；結果正確后請截取屏幕并保留屏幕文件，作為結果放到課程設計報告中。當模型機執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數據是否為IN單元值的2倍；按下CON單元的總清開關CLR，將IN單元的數據改變?yōu)閷W號的2倍，再次執(zhí)行機器指令程序，從OUT單元顯示的數據判斷程序執(zhí)行是否正確，結果正確后請再次截取屏幕并保留屏幕文件，作為結果放到課程設計報告中，方便比較結果。2聯機運行將KK1、KK3置為“運行”檔，進入軟件界面，選擇菜單命令“實驗簡單模型機”，打開簡單模型機數據通路圖。按動CON單元的總清開關CLR，然后通過軟件運行程序，選擇相應的功能命令，即可聯機運行、監(jiān)控、調試程序，當模型機執(zhí)行完JMP指令后，檢查OUT單元顯示的數據是否為OUT單元值的2倍。在數據通路圖和微程序流中觀測指令的執(zhí)行過程，并觀察軟件中地址總線、數據總線以及微指令顯示和下位機是否一致。4 課程設計結果本次課程設計取R0CCH。通過IN單元將R0的值輸入，并打開簡單模型機數據通路圖。程序運行前通路圖如下：圖6 課程設計實驗結果（一）在軟件界面選擇工具欄上的命令“單周期運行”，開始執(zhí)行程序。觀察軟件界面數據通路圖的變化。當程序運行結束時，數據通路圖如下：圖7 課程設計實驗結果（二）5 課程設計總結5.1 每條機器指令的微程序表4 微程序指令對應的機器指令機器指令S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8ABCUA5 UA4 UA3 UA2 UA1 UA0IN0 0 0 0 0 0 0 1 10000001000 1 0 0 0 0ADD0 0 0 0 0 0 0 1 11101101100 0 0 0 1 0OUT0 0 0 0 0 0 0 1 10100010000 0 0 1 1 0JMP0 0 0 0 0 0 0 0 11100000000 1 1 1 1 0給出每條機器指令的微程序：$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 課程設計的心得、經驗教訓及注意事項5.2.1 心得體會（1）計算機組成原理的課程設計需要十分用心去做，因為CPU的結構十分復雜，需要仔細連線，最好是按照一定順序連線并做標記，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）當實驗結果出現錯誤時，需要耐心檢查連線，不可抱有僥幸心理。5.2.2 經驗教訓本次課程設計的實驗過程中，出現了連線錯誤，導致IN單元中的數據沒有傳輸給內存中，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，聯機軟件使用不熟練，開始時沒能將微程序指令正確導入裝置中，也是本次課程設計的一個教訓。5.2.3 注意事項（1）注意連線過程中排線的高低位要對應（2）注意將排線插緊，不能出現松動（3）注意連線時及時標記已連接的線，不要多連或少連（4）聯機運行時，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書R2008.1.102美William S