计算机组成原理课程设计基本模型机设计与实现

课程设计（大作业）报告

课程名称：计算机组成原理

设计题目：基本模型机设计与实现院系：信息技术学院

班级：计算机科学与技术3班

设计者：

学号：

指导教师：

设计时间：2017.6.19~2017.6.23

学院

信息技术学院

目录

一、课程设计的教学目的 3

二、课程设计任务和基本要求 3

三、设计任务及分析 3

四、设计原理 3

五、操作步骤 3

1．本实验设计机器指令程序如下表所示。 3 ２．根据下图连接线路 3 3．联机写程序 3

4. 联机运行 3

六、实验结果 3

七、实验总结 3

八、参考书籍3

课程设计（大作业）报告

一、课程设计的教学目的

1. 在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，进一步将其中各单元组成系统构造一台模型计算机。

2. 本实验定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。

课程设计容设计一台基本模型机，并实现相关的指令。

二、课程设计任务和基本要求

本课程设计以TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。

1.按给定的数据格式和指令系统,设计一个微程序控制器。

2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微

程序的为指令代码。

3.连接逻辑电路完成启动,测试,编程,测试,效验和运行,并观测运行

过程及结果。

4.将微程序控制器模块与运算器模块,存储器模块联机,组成一台模

型计算机。

5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。

6.通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序,掌握机器指令

与微指令的关系,建立计算机整机的概念,掌握计算机的控制机制。

7.按指定的应用项目进行汇编指令格式及功能设计,并设计相应的

机器指令代码,按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序.在PC机上编辑机器指令和微程序,装载代码到TDN-CM++实验系统并运行,实现应用要求。

三、设计任务及分析

(1)设计任务: 从输入设备读取数据X并将其存入以A为间接地址的

存单元，将X与R 0.寄存器中的容Y执行X ⊕，结果送到以B为直接地址的存单元保存。

(2)分析:

A:给R0寄存器直接置入01H.

B:从数据开关给间接地址为0CH的存单元置数,(03H).

C:给R0中的容取反,结果存在R0中.

D:将间接地址0CH中直接地址0EH中的容(03H)放入DR1中, R0中的容放入DR2中,将DR1和DR2种的数进行异或运算,结果放在R0中.

E:将R0中的容存在直接地址为0DH的存单元中.

四、设计原理

模型机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段微程序。

本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前４位为操作码）：

助记符机器指令码说明

IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中的开关状态

RO

ADDaddr 00010000×××××××

×

进制加法，R0+[addr] R0

STAaddr 00100000×××××××

×

存数，RO [addr]

OUTaddr 00110000×××××××

×

输出，[addr]BUS

JMPaddr 01000000×××××××

×

无条件转移，addr PC

其中IN 为单字长（８位）指令，其余为双字长指令，××××××××为addr 对应的二进制地址码。

根据模型机的数据通路图（如图１所示）和指令的要求定义微代码如下：

微程序24~21 20 19 1

8

17 16 15~13 12~10 9~7 6~1

表1 微代码定义

表2 A、B、P字段

表中μA5～μA0 为6 位后续微地址，A、B、C 为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P 字段中的P（1）～P（4）是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。B 字段中的RS-B、RD-B、RI-B 分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1 及R2 的选通译码。A 字段中的LDRI 为从输入设备组件中读入数据使能控制信号。

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，在数码管显示。

图１基本模型机数据通路图

（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。在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8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；数据暂存器在图1中由DR1和