计算机组成原理模型机设计与实现

学号:
武汉华夏理工学院
课程设计
课程名称计算机组成原理
题目模型机设计与实现
专业班级姓名成绩指导教师
武汉华夏理工学院信息工程系
课程设计任务书
课程名称：计算机组成原理指导教师：田小华
班级名称：开课教研室：软件与信息安全
一、课程设计目的与任务
理解计算机系统各个功能部件的功能、结构和工作原理，正确理解各功能部件之间的相互关系及其
在计算机系统中所起的作用；掌握计算机系统各个功能部件的设计和分析技术，包括数据与指令的编码、存储器、运算器、输入输出接口等。

在此基础上，使学生通过理论与实践的结合，利用基本模型计算机的构建与调试实验，完整地建立计算机硬件的整机模型，掌握中央处理器的基本结构和控制流程，掌握机器指令执行的基本过程，熟悉微程序控制器的基本结构和微程序设计技术的主要技巧，理解一条机器指令与一段微程序的关系，明确高级语言指令与微指令的对应关系，充分理解控制信息流利用数据通路完成对数据流的加工处理的过程。

通过课程设计，使学生将所学专业知识综合运用，在实践活动中积累经验，增长才干，训练学生独立工作能力，激发学生的学习热情，培养学生的自主创新精神，养成务实严谨的工作作风。

二、课程设计的内容与基本要求
1. 按给定的数据格式、机器指令格式和微指令格式，利用基本的数字逻辑器件，设计一台微程序控制的模型计算机。

2. 设计五条机器指令：IN,ADD,STA,OUT,JMP，并用微指令编写微程序，实现每条机器指令的功能。

3. 在TD-CMA教学实验平台上实现基本模型机方案：
⑴建立数据通路，定义开关SWA及SWB勺功能；⑵确定微程序控制流程，掌握控制台操作；⑶输入编写的五条机器指令的微程序序列；⑷输入实验机器指令程序序列；⑸设计基本模型的物理连线；⑹
完成微程序的调试，实现实验机器指令程序的功能。

完成模型机调试任务后，整理课程设计资料，撰写课程设计报告。

课程设计报告内容包括：
模型机数据通路图；②微程序控制器逻辑模块图；③微程序控制流程图；④元件排列图；⑤设计说明书；⑥调试小结。

三、课程设计步骤及时间进度和场地安排
《计算机组成原理》课程设计将安排在第17周，地点在信息系实验楼523教室。

具体安排如下：
1.第17周周1 （1节）（12月26日）：集中讲解课程设计原理与方法，3-203教室
2 •第17周周1 （2--4节）：完成模型机的实验线路连接
3•第17周周2:调试模型机，记录实验结果，撰写课程设计报告
4 •第17周周5:检查课程设计报告，打印提交课程设计报告
软件工程1151班时间安排：
四、课程设计考核及评分标准
课程设计考核将综合考虑学生考勤和参与度，课程设计方案正确性和实验结果的正确性,
独立完成
实验环节的情况，以及课程设计报告书的质量。

具体评分标准如下：
、中（70-79分）、及格（60-69分）、60分以下为不及格
目录
第一章课程设计...........................................................
1.1 课程设计题目 (1)
1.2 课程设计目的 (1)
1.3 实验设备 (1)
第二章概要设计 (1)
2.1 课程设计原理 (1)
2.2 数据通路框图 (2)
2.3 微指令格式 (2)
2.4 微程序流程图 (3)
2.5 微指令二进制代码表 (4)
2.6 实验步骤 (5)
第三章实验过程屏幕截图....................................... . (7)
3.1 调试部分截图 (7)
3.2 调试整体图 (8)
3.3 运行结果 (9)
第四章设计总结 (9)
4.1 给出每条机器指令的微程序（十六进制格式） (9)
4.2 设计体会 (10)
附表答辩和评语表. (12)
第一章需求分析
1.1 课程设计题目
基本模型机设计与实现
1.2 课程设计目的
在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发
和调试计算机的技能。

1.3 实验设备
TDN-CM组成原理实验系统，排线若干，微机
第二章概要设计
2.1 课程设计原理
采用五条机器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP
地址（二进制）内容（二进制）助记符说明
0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE班号）”一
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RO+[OAH] —RO 0000 0001 0001 0000 ADD [0AH],R0
0000 0010 0000 1010
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0000 0100 0000 1011
—LED 0000 0101 0011 0000 OUT [0BH] [OBH]
0000 0110 0000 1011
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0000 1001
0000 1010 0001 1111 学号为31号同学
0000 1011 求和结果（班号加学
号）
2.2数据通路框图
简单的模型计算机是由运算器、控制器、存储器、总线、输入输出和时序产生器组成。

在模型机中，
我们将要实现RAM的读写指令，寄存器的读写指令，跳转指令，ALU的加、减、与、或指令。

把通用寄存器作为累加器A,进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。

如图1所示：
2.3微指令格式
当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，如图2所示:
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图2微指令格式
2.4微程序流程图
微程序流程图如图 3所示:
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2.5微指令二进制代码表
表1微指令二进制代码表
八进制
二 进制格 式
微地址 S 3 S S S M C n WE 9A 8 A B C 卩A 〜卩A 00Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 000 000 100 0 1 0 0 0 0 01Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 110 110 0 0 0 0 1 0 02Q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 100 000 001 0 0 1 0 0 0 03Q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 110 000 000 0 0 0 1 0 0 04Q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 011 000 000 0 0 0 1 0 1 05Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 010 001 000 0 0 0 1 1 0 06Q 1 0 0 1 0 1 0 1 1 001 101 000 0 0 0 0 0 1 07Q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 110 000 000 0 0 1 1 0 1 10Q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 001 000 000 0 0 0 0 0 1 11Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 110 110 0 0 0 0 1 1 12Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 110 110 0 0 0 1 1 1 13Q
0 0 0 0 0 0 0 1 1
110 110 110 0 0 1 1 1 0 14Q 0 0 0 0 0 0 0 1 1
110
110
110
0 1 0 1 1 0
¥
图3微程序流程
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C OO > :
U --------- Lr
27
2.6实验步骤
2.6.1实验接线图：如下图2-6。

（注意：接线过程中不得有任何错误!）
图4实验接线图
262操作步骤
⑴ 微控器编程开关拨至 RUN, “ STEP — STEP, “STOP — RUN ⑵ 实验箱利用COM 口与微机连接，实验箱加电，启动微机： ① 进入安装实验系统的目录，例如 D: \CMP ② 对实验箱复位；
③ 桌面上选择:CMP 图标，运行CMP.EXE 进入实验运行环境； ④ 选择转载菜单的装载功能：C:\TANGDU\CMP\SAMPLE\EX1.TXT ⑤ 选择数据通路图标：
开关置班号，内存0AH 单元置学号 ⑥ CLR:1— 0— 1
⑦ 运行菜单的连续功能功能，若运行正确，将在“OUTPU ”模块看到十六进制的结果: 班号+学号的和
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EX1文本文件内容如下:
机器指令程序：
$P0000
$P0110 $P020A $P0320 $P040B $P0530 $P060B $P0740 $P0800 $P0A01 机器指令对应的微程序：
$M00018110 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004 $M0400B005 $M0501A206 $M06959A01 $M0700E00D $M08001001 $M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E $M0C01ED96 $M0D028201 $M0E00E00F $M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94 $M1200A017 $M13018001 $M14002018 $M15070A01 $M1600D181 $M17070A10 $M18068A11 第三章实验过程屏幕截图
3.1 调试部分截图
r —
LOAD
OUTPUT
LEO-fiUS WR
LDOR2 微控器
SW-6US
sw nus
rR= RI
=
INPUT
FF
ALW FF
|-W R |
\=\
图5数据通路
3.2调试整体图
图6实验操作界面
第四章设计总结
4.1每条机器指令的微程序（十六进制格式）
IN:01Q: 01ED82H
02Q: 00C048H 10Q: 01ED92H ADD:01Q: 01ED82H
02Q: 00C048H 11Q: 01ED94H 03Q: 00E004H 04Q: 00B005H 05Q: 01A206H
3.3运行结果 TttsE «4!L MT ZE： -»il J ：I ^-rrii t*膏工 我■刀■口 血 «n z
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ADMEtf «4JBi
AR= 01
HAM
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图7运行结果
06Q: 959A01H
STA:01Q: 01ED82H
02Q: 00C048H
11Q: 01ED87H
03Q: 00E00DH
04Q: 028201H
OUT:01Q: 01ED82H
02Q: 00C048H
11Q: 01ED8EH
03Q: 00E00FH
04Q: 00A015H
05Q: 070A01H
JMP:01Q: 01ED82H
02Q: 00C048H
11Q: 01ED96H
03Q: 00D181H
4.2 设计体会
本次课程设计要求我们设计一台微程序控制的模型机，设计基本模型机的指令系统（包括逻辑与，逻辑或，算术加，减运算，输入，输出，转移，传送指令），设计的目的是让我们增加自己的动手能力，真正的达到理论与实际的结合。

本次实验大体上分为两步。

首先，是连接电路。

其次，装载课程设计指导书上设计的程序并测试运行，通过观察运行情况和数据在总线上的流动，了解各功能部件的工作原理和工作机制以及流程图各指令的含义，并装载运行、检验运行结果。

这学期的学习后，让我对计算机的组成有了一个初步的认识，它的内部有很多的奥妙，理论性很强的。

在这次课程设计中，我在实验设计中结合理论学了不少东西。

因为课程设计是要求将以前在课堂上学的理论知识运用到实际的设计当中去，所以在设计过程中，我碰到各种各样的问题。

为了解决这些问题，我仔细认真的去翻阅自己以前学过但是以为已经了解熟悉的东西。

这在无形中帮助我加深对所学知识的了解及运用能力，并且让我明白什么地方是我们真正需要去关注的。

而且这样我对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解。

课程设计需要我不但通过翻阅复习以前学过的知识而且需要查阅更多的相关信息。

通过这次课程设计，我更
进一步了解了计算机的组成，尤其对运算器、存储器和微程序控制器，有了非常透彻的认识。

并且对线路的连接与模型机的各个硬件的结构，以及微程序微指令的一些编制与设计有了一定的了解。

从一种微观的角度更加了解计算机模型机，这样我对于计算机的了解更加深入。

对于计算机的工作原理也有部分更深入的认识。

还体会到了实践动手和合作的重要性，以及做事要有计划和顺序.
这次通过实验的方法来学习计算机原理这门课程，感觉受益匪浅。

开始看计算机原理，觉得很多东西匪夷所思，不可理解，更不用提这次试验了。

很多原理性的东西如果不是真正和硬件结合起来，只限于纸上谈兵，或者只作些简单的照搬模式的小实验，那么事隔一段时间，恐怕很难有什么知识能在头脑中留下什么印象。

完成这次研制工作后，我们对很多原理有了更加感性化的认识，并且体会到了手工设计的艰辛，锻炼了动手能力和严谨求实的科学作风。

实验使我们对这门课的兴趣增加了，希望能有时间做一些更加深入的探索和研究。

通过本次课程设计，真正的发现理论与实际结合得重要性，有时并不是理论知识学得好动手能力就会高，当真正动起手来发现自己需要学得知识还是很多的，在以后的学习中，自己一定要加强理论与实际的结合，让自己达到新型社会需要人才的标准。