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