计算机组成原理课程设计---一台模型计算机的设计与调试

课程设计报告课程名称：计算机组成原理专业：计算机XXX 班级：计算机XXXX班学号：姓名：指导老师：日期：目录设计题目 (1)1.数据格式 (1)2.指令系统 (1)2.1.算术逻辑运算指令 (1)2.2.访内指令及转移指令 (1)2.3.输入输出指令 (2)2.4.停机指令 (2)2.5.具体编码 (2)3.数据通路 (3)3.1.全局概略图 (3)3.2.单片机写控制 (4)3.3.微程序显示 (4)3.4.指令寄存器 (5)3.5.通用寄存器 (6)3.6.运算器 (7)3.7.内存和程序计数器 (8)3.8.地址总线显示 (9)3.9.手动输入微程序 (10)3.10.单片机写微程序 (10)3.11.控制存储器 (11)3.12.指令译码 (12)3.13.微地址显示 (13)3.14.单片机与数据总线输入 (14)3.15.设计说明 (14)4.时序系统 (15)4.1.时序系统与起停控制 (15)4.2.时序波形图 (15)5.微指令格式 (16)6.微程序控制器 (17)6.1.原理图 (17)6.2.地址转移逻辑 (18)7.微程序流程图 (19)8.微程序代码表 (19)9.设计体会 (21)10.参考文献 (21)11.附录 (21)11.1.单片机写程序 (21)11.1.微程序编码转换程序 (29)设计题目一台模型计算机的设计与调试1.数据格式字长：8位格式：定点整数其中: 第定点整数：-128 ≤X≤127。

2.指令系统指令的类型设计：算术逻辑运算、数据存取、程序控制、输入输出，按固定操作码4位长度进行设计，设计14条指令。

2.1.算术逻辑运算指令设计7条算术逻辑运算类指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器寻址，指令为RR 型，其格式如下：其中：OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器2.2.访内指令及转移指令2条访问指令：存数(STA)、取数(LDA)2条转移指令：无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC) 指令格式为：其中：0 11 0 1 1 E=(D)E=(Ri)+DE=(PC)+D间接寻址R i变址寻址相对寻址本模型机选择变址寄存器Ri为寄存器R2。

2.3.输入输出指令格式如下：7 4 3 2 1 0OP-CODE addr Rd其中，addr=01 时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的七段LED数码块作为输出设备。

2.4.停机指令格式如下：7 4 3 2 1 0OP-CODE0 00 0停机指令HALT，用于实现停机操作。

2.5.具体编码序号汇编指令机器代码格式功能说明1 CLR Rd 0111 00 Rd 0→Rd2 MOV Rs,Rd 1000 Rs Rd Rs→Rd3 ADC Rs,Rd 1001 Rs Rd Rs+Rd+Cy→Rd4 SBC Rs,Rd 1010 Rs Rd Rs-Rd-Cy→Rd5 INC Rd 1011 xx Rd Rd+1→Rd6 AND Rs,Rd 1100 Rs Rd Rs∧Rd→Rd7 COM Rd 1101 xx Rd8 LDA M,D,Rd 00 M 00 Rd , D E→Rd9 STA M,D,Rd 00 M 01 Rd , D Rd→E10 JMP M,D 00 M 10 00 , D E→PC11 BZC M,D 00 M 11 00 , D 当Cy=1或Z=1时，E→PC12 IN Rd 0100 10 Rd 输入单元→Rd13 OUT Rd 0101 10 Rd Rd→输出单元14 HALT 0110 00 00 停机3.数据通路3.1.全局概略图3.2.单片机写控制3.3.微程序显示3.6.运算器3.7.内存和程序计数器3.8.地址总线显示3.9.手动输入微程序3.10.单片机写微程序3.11.控制存储器3.12.指令译码3.13.微地址显示3.14.单片机与数据总线输入3.15.设计说明设计说明数据总线模型计算机的数据总线，用于分时传输各种数据。

地址总线模型计算机的地址总线，用于传输地址寄存器的地址。

微地址总线微程序控制器的微地址总线，用于分时传输微地址。

微程序数据总线微程序控制器的微程序数据总线，用于传输微程序数据。

单片机写数据总线单片机写入模型计算机内存和控制存储器的单片机写数据总线。

运行步骤1.单片机写内存控制逻辑：把开关SW1，SW2拨动到下面，START=02.启动运行约3秒，等显示数据稳定，表示数据写入完成。

3.单击暂停。

单片机写内存控制逻辑：把开关SW1，SW2拨动到上面，START=1。

缩小设计图，让指令寄存器，微地址寄存器，输出显示器，地址寄存器显示同时显示。

单击释放暂停按钮，继续运行。

4.观察LED数码管显示器上的数据。

4.时序系统4.1.时序系统与起停控制4.2.时序波形图5.微指令格式微程序23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 控制信号S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8 A 字段 B 字段P 字段uA5 Ua4 uA3 uA2 uA1 uA1A 字段B 字段P 字段14 13 12 控制信号11 10 9 控制信号8 7 6 控制信号0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 LDRi 0 0 1 RS_B 0 0 1 P10 1 0 LDDR1 0 1 0 RD_B 0 1 0 P20 1 1 LDDR2 0 1 1 RI_B 0 1 1 P31 0 0 LDIR 1 0 0 1 0 0 P41 0 1 LOAD 1 0 1 ALU_B 1 0 1 AR1 1 0 LDAR 1 1 0 PC_B 1 1 0 LDPC6.微程序控制器6.1.原理图6.2.地址转移逻辑7.微程序流程图8.微程序代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8 A B C UA5…UA000 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 001 00001 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 110 000 01002 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 001 010 00003 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 000 10004 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 010 100 00005 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 000 11006 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 000 11107 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 010 100 00010 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 001 01011 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 001 1009.设计体会这次计算机组成原理课程设计不仅是一个综合复习课堂知识的过程，而且是一次非常好的锻炼实践能力的机会。

以前在学习计算机科学与技术这个专业时，主要是接触软件，忽略了很多硬件方面的知识。

但是，只有综合学习和应用计算机软硬件知识，才能更好和更深层次地理解计算机的工作原理。

在课程设计中发现对学过的一些理论知识的理解还不够深刻，尤其是一些细节方面的知识。

只是知其然，而不知其所以然，缺乏深入的思考，往往只看到了表面。

在课程设计过程中遇到了一些理解不清的知识点。

通过看课本，到图书馆借阅相关资料学习，最后加深了对相关知识点的理解，应用到了课程设计中。

对一些芯片的具体参数和用法不太熟悉，通过上网搜索，学会了使用这些芯片。

通过这次课程设计，我对计算机的组成和工作原理的理解更加深入了。

同时，也锻炼了自己实际分析问题和解决问题的能力，为以后的进一步学习打下了基础。

10.参考文献《计算机组成原理》，科学出版社，白中英著。

《计算机组成原理与系统结构试验教程》，西安电子科技大学出版社，杨小龙编著。

百度百科中相关芯片资料11.附录11.1.单片机写程序#include "reg51.h"#define DELAY_T 4 //延时函数单位时间#define PRO_LONG 16 //程序长度sbit C51_NOT_SW_B=P0^0; //C51单片机写存储器控制逻辑sbit WUD_CE0=P1^0; //写微程序数据片选信号sbit WUD_CE1=P1^1;sbit WUD_CE2=P1^2;sbit MCS0=P1^3; //控制存储器片选信号sbit MCS1=P1^4;sbit MCS2=P1^5;sbit MOE=P1^6; //控制存储器读选通信号sbit MWE=P1^7; //控制存储器写选通信号sbit WRITE_TUA=P2^0; //写微地址转移逻辑选通信号sbit C51_LDAR=P2^1; //C51写地址寄存器选通信号sbit WDBUSCE=P2^2; //写数据总线选通信号sbit C51_CE=P2^3; //C51访问存储器片选信号sbit C51_OE=P2^4; //C51读存储器选通信号sbit C51_WE=P2^5; //C51写存储器选通信号sbit OEUA=P2^6; //C51写微地址选通信号sbit WEUA=P2^7; //C51锁存微地址信号/*程序注释输入R1=16输出R1=16内存读取R0=12输出R0=12自增R0输出R0=13R0+R1->R1=29输出R1=29输出R1=29清零R0=0输出R0=0输出R0=0输出R0=0停机*/char ram[16]={ //程序0x45,//0100 0101 IN R1 //R1=160x59,//0101 1001 OUT R1 //R1=160x00,//0000 0000 LAD R0 //R0=[0x0f]=0x120x0f,//data_0=[0x0f]=0x120x58,//0101 1000 OUT R0 //R0=0x120xb0,//1011 0000 INC R0 //R0=130x58,//0101 1000 OUT R0 //R0=130x91,//1001 0001 R0+R1->R1 //R1=16+13=290x59,//0101 1001 OUT R1 //R1=290x59,//0101 1001 OUT R10x70,//0111 0000 CLR R0 //R0=000x58,//0101 1000 OUT R0 //R0=000x58,//0101 1000 OUT R0 //R0=000x58,//0101 1000 OUT R0 //R0=000x60,//0110 0000 STOP0x12,//data_0=[0x0f]=0x12};char code c2[61]={ //控制存储器高8位0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x01,0x00,0x01,0x00,0x00,0x01,0x95,0x01,0x01,0x01,0x01,0x00,0x01,0x01,0x31,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x00,0x02,0x05,0x01,0x01,0x95,0x00,0x01,0x95,0x95,0x01,0x95,0x01,0x05,0x09,0x01,0x05,0x95,0x01,0x01,0x05,0xb9,0x0d,0x01,0x29,0x01,0x19,0x07,0x06};char code c1[61]={ //控制存储器中8位0x81,0xed,0xc0,0xa0,0xe0,0xe0,0xa0,0xe0,0xed,0xed,0xa0,0x80,0x20,0xa0,0xb6,0xea,0xed,0xed,0xed,0xed,0x10,0x04,0x80,0x9a,0x92,0xa2,0xb2,0xa4,0xa2,0xa4,0x82,0x82,0x90,0x84,0xda,0x80,0x80,0xaa,0xa0,0xbc,0xea,0xaa,0xb4,0x9a,0xa4,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0x9a,0x9a,0xb4,0xda,0x9a,0x9a,0xa2,0x98,0xa2,0x98,0x0a,0x8a};char code c0[61]={ //控制存储器低8位0x08,0x82,0x50,0x04,0xa0,0x06,0x07,0xa0,0x8a,0x8c,0x3b,0x01,0x3c,0x0e,0x0f,0x25,0x83,0x85,0x8d,0xa6,0x01,0x01,0x16,0x01,0x01,0x2a,0x2c,0x32,0x33,0x36,0x08,0x08,0x01,0x01,0x01,0xe4,0x01,0x90,0x27,0x28,0x29,0x90,0x2b,0x01,0x2d,0x2e,0x2f,0x30,0x31,0x01,0x01,0x36,0x01,0x01,0x01,0x08,0x08,0x08,0x08,0x08,0x09};char i;void delay(char t) //延时函数，调整延时时间，可看到读写过程{char i,j,k;for(i=0;i<t;i++)for(j=0;j<t;j++)for(k=0;k<t;k++);}void init(void) //初始化数据，准备写入数据{C51_NOT_SW_B=1;WUD_CE0=1;WUD_CE1=1;WUD_CE2=1;MCS0=1;MCS1=1;MCS2=1;MOE=1;MWE=1;WRITE_TUA=1;C51_LDAR=0;WDBUSCE=1;C51_CE=1;C51_OE=1;C51_WE=1;OEUA=1;WEUA=0;}void pre_run(void) //准备运行模型计算机{C51_NOT_SW_B=0;WUD_CE0=1;WUD_CE1=1;WUD_CE2=1;MCS0=0;MCS1=0;MCS2=0;MOE=0;MWE=1;WRITE_TUA=0;C51_LDAR=0;WDBUSCE=1;C51_CE=1;C51_OE=1;C51_WE=1;OEUA=1;WEUA=0;}void write_ram(void) //写内存{init();for(i=0;i<PRO_LONG;i++){P3=i;WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;delay(DELAY_T);P3=ram[i];WDBUSCE=0;C51_CE=0;C51_WE=0;delay(DELAY_T);C51_CE=1;C51_WE=1;delay(DELAY_T);WDBUSCE=1;delay(DELAY_T);}P3=0; //地址寄存器清零WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;}void read_ram(void) //读内存{init();for(i=0;i<PRO_LONG;i++){P3=i;WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;delay(DELAY_T);WDBUSCE=1;C51_CE=0;C51_OE=0;delay(DELAY_T);C51_CE=1;C51_OE=1;delay(DELAY_T);}P3=0; //地址寄存器清零WDBUSCE=0;C51_LDAR=0;C51_LDAR=1;}void write_m_ram(void) //写控制存储器{init();MCS0=0;for(i=0;i<61;i++){P3=i;OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c0[i];WUD_CE0=0;MOE=1;MWE=0;MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE0=1;delay(DELAY_T); }MCS0=1;MCS1=0;for(i=0;i<61;i++) {P3=i;OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c1[i];WUD_CE1=0;MOE=1;MWE=0;MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE1=1;delay(DELAY_T); }MCS1=1;MCS2=0;for(i=0;i<61;i++) {P3=i;OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;P3=c2[i];WUD_CE2=0;MOE=1;MWE=0;MWE=1;delay(DELAY_T);WUD_CE2=1;delay(DELAY_T);}MCS2=1;}void read_m_ram(void) //读控制存储器{init();MWE=1;for(i=0;i<61;i++){P3=i;OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;MCS0=0;MCS1=0;MCS2=0;MOE=0;delay(DELAY_T*1);MOE=1;delay(DELAY_T*1);}P3=0;OEUA=0;WEUA=0;WEUA=1;}void main(void) //主函数{write_ram(); //写内存read_ram(); //读内存write_m_ram(); //写控制存储器read_m_ram(); //读控制存储器pre_run(); //准备运行while(1);}11.1.微程序编码转换程序因为需要将许多24位2进制的微程序转换为16进制的数据写入控制存储器，所以用PHP语言编写自动转换程序，提高转换速度和准确度。