計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　對(duì)數(shù)據(jù)選擇器（A、B）、計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器、寄存器和微程序控制器透徹了解的基礎(chǔ)上，完成一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，使其具有簡(jiǎn)單運(yùn)算功能：取數(shù)、讀數(shù)、做加法、送數(shù)等。 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)的目的：</b>&l

2、t;/p><p>　　通過一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序的編制與調(diào)試等全過程有一個(gè)較為綜合、深入的認(rèn)識(shí)和理解。 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)與調(diào)試步驟：</b></p><p>　　結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)試步驟如下： </p><p&

3、gt;<b>　　數(shù)據(jù)通路：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)在總體結(jié)構(gòu)中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室的仿真模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎(chǔ)、以CPU為核心構(gòu)成的。</p><p><b>　　系統(tǒng)簡(jiǎn)介:</b></p><p>　　機(jī)器指令存放在3#RAM中將3#RAM作為內(nèi)存使用，機(jī)器指令是按由上到下順序執(zhí)行的，

4、其執(zhí)行順序由PC（程序計(jì)數(shù)器）和MAR（地址寄存器）控制。2#RAM和1#RAM作為控制存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱為控存一條微指令由十六個(gè)微命令組成高八位存放于2#RAM中，低八位存放于1#RAM中。后繼地址有三種形成方式μIR2μIR1μIR0 為001時(shí)μPC+1安順序執(zhí)行微指令為010時(shí)JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由μIR15-8提供。本簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)基于簡(jiǎn)化處理μIR15-8均為0它代表了均跳向?yàn)橹噶罴拇嫫鞯?0入口即取指令入口。為011時(shí) QJP高四位安

5、機(jī)器指令的操作碼轉(zhuǎn)移，第四位為0其由后繼地形成邏輯實(shí)現(xiàn)，所有涉及的地址轉(zhuǎn)移均為指令的轉(zhuǎn)移。因?yàn)闄C(jī)器指令是按順序執(zhí)行的。每按一次單脈沖鍵執(zhí)行一條微指令，一條機(jī)器指令由若干條微指令組成，一條微指令由十六個(gè)微命令組成其中因?yàn)棣蘄R3μIR6μIR7全為零故省略掉了。</p><p>　　為保證機(jī)器指令是從第一條開始順序執(zhí)行的，在操作前應(yīng)按一次復(fù)位鍵將微指令計(jì)數(shù)器μpc，機(jī)器指令計(jì)數(shù)器pc，內(nèi)存地址寄存中的內(nèi)容清零。第一

6、條微指令地址為00，微操作為RAM→IR即從內(nèi)存中取出指令放到機(jī)器指令寄存器中，此時(shí)地址寄存器中的內(nèi)容為00，所以在3#RAM的00地址中取出MOV1指令18，取出指令后PC+1→PC（01）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時(shí)指令寄存器中存放的為18 操作碼為0001，所以轉(zhuǎn)移后高四位為：0001 低四位為全零 ：0000 。后繼地址形成邏輯的輸出0001 0000， 因此此時(shí)置數(shù)有效微地址輸出為

7、10（十六進(jìn)制）。</p><p>　　根據(jù)微地址10執(zhí)行PC→MAR, PC中的內(nèi)容經(jīng)取指過程中加1操作,已變?yōu)?1，所以地址寄存器中存入了01，然后PC+1→PC （PC變?yōu)?2） 為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備。然后將內(nèi)存中地址為01的數(shù)據(jù)傳送至RAM→R0 下一步為PC→MAR存入的為02。下一個(gè)微指令為JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由微指令的高八位給出，高八位為0000 0000，所以微地址轉(zhuǎn)向00，再次進(jìn)行取指令

8、。</p><p>　　在3#RAM的02地址中取出MOV2指令28放進(jìn)機(jī)器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（03）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時(shí)指令寄存器中存放的為28 操作碼為0010，所以轉(zhuǎn)移后高四位為：0010， 低四位為全零：0000 。后繼地址形成邏輯的輸出0010 0000， 因此此時(shí)置數(shù)有效微地址輸出為20（十六進(jìn)制）。</p>&l

9、t;p>　　根據(jù)微地址20執(zhí)行PC→MAR PC中的內(nèi)容經(jīng)取指過程中加1操作已變?yōu)?3，所以地址寄存器中存入了03，然后PC+1→PC （PC變?yōu)?4） 為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備。然后將內(nèi)存中地址為03的數(shù)據(jù)傳送至RAM→R1 下一步為PC→MAR存入的為04。下一個(gè)微指令為JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由微指令的高八位給出，高八位為0000 0000，所以微地址轉(zhuǎn)向00，再次進(jìn)行取指令。</p><p>　　在

10、3#RAM的04地址中取出ADD指令30放進(jìn)機(jī)器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（05）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時(shí)指令寄存器中存放的為30操作碼為0011.所以轉(zhuǎn)移后高四位為0011 第四位為全零 0000 。后繼地址形成邏輯的輸出0011 0000 ，因此時(shí)置數(shù)有效微地址輸出為30（十六進(jìn)制）。</p><p>　　根據(jù)微地址30執(zhí)行R0 +R1= R1 P

11、C中的內(nèi)容經(jīng)取指過程中加1操作已變?yōu)?5，所以地址寄存器中存入了05，然后PC+1→PC （PC變?yōu)?6） 為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備。下一個(gè)微指令為JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由微指令的高八位給出，高八位為0000 0000所以微地址轉(zhuǎn)向00，再次進(jìn)行取指令。</p><p>　　在3#RAM的05地址中取出MOV3指令41放進(jìn)機(jī)器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（06）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準(zhǔn)備，再按一次單脈沖鍵

12、執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時(shí)指令寄存器中存放的為41 操作碼為0100，所以轉(zhuǎn)移后高四位為：0100 低四位為全零：0000 。后繼地址形成邏輯的輸出0100 0000 ，因此時(shí)置數(shù)有效微地址輸出為40（十六進(jìn)制）。</p><p>　　根據(jù)微地址40執(zhí)行R0→MAR（R0中的數(shù)據(jù)作為寫內(nèi)存地址）。 PC中的內(nèi)容經(jīng)取指過程中加1操作已變?yōu)?6，所以地址寄存器中存入了06，然后將內(nèi)存中地址為03的數(shù)據(jù)傳送至R1→

13、RAM 下一步為PC→MAR存入的為06。下一個(gè)微指令為JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由微指令的高八位給出，高八位為0000 0000，所以微地址轉(zhuǎn)向00，再次進(jìn)行取指令。</p><p>　　至此MOV1 MOV2 ADD MOV3 均執(zhí)行完畢完成了兩個(gè)數(shù)的相加操作。如果是07+02=09那么內(nèi)存的07號(hào)地址中就存放了相加結(jié)果09。</p><p><b

14、>　　總圖：</b></p><p><b>　　輸入輸出說明：</b></p><p>　　USB0-7 為內(nèi)存的數(shù)據(jù)線當(dāng)wr為1時(shí)可以寫內(nèi)存，同時(shí)加法器的輸出也接到這八根線上結(jié)合輸出分配可將數(shù)據(jù)送到R0 、R1、pc、ir 、mar 中的一個(gè)或一個(gè)也不送。</p><p>　　AD0-7 為內(nèi)存的地址線。</p&g

15、t;<p>　　UAD0-7為ROM2和ROM1的共用地址</p><p>　　μIR0-15為ROM2和ROM1的輸出其具體輸出什么由其地址決定。</p><p>　　wr rd為內(nèi)存的讀寫控制</p><p><b>　　P1為單脈沖</b></p><p>　　Rst2為復(fù)位鍵，可對(duì)PC,μPC.,

16、MAR進(jìn)行復(fù)位。 </p><p>　　UPC和P控制ROM2和ROM1讀和讀出</p><p>　　MD0-7為ROM3的輸出其中的數(shù)據(jù)由此輸出。</p><p><b>　　二四譯碼器：</b></p><p>　　二四譯碼的輸出控制選擇器A、B數(shù)據(jù)通路，二四譯碼器的作用在這里是一個(gè)多路數(shù)據(jù)開關(guān)。</p>

17、<p><b>　　三八譯碼器邏輯：</b></p><p>　　三八譯碼器的一組輸入對(duì)應(yīng)的輸出中只有一個(gè)為1其余為零。</p><p>　　設(shè)計(jì)中用到了兩個(gè)三八譯碼器其中一個(gè)的輸入為μIR11、μIR10、μIR9，輸出用到的五個(gè)分別控制R0 、R1 、 IR 、PC 、MAR 五個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)開關(guān)。因?yàn)槠漭敵鐾粫r(shí)刻只有一個(gè)1，這就保證了同一時(shí)刻只對(duì)

18、一個(gè)寄存器操作，另外還有五個(gè)寄存器均不操作時(shí)的情況，例如寫內(nèi)存的操作。另外一個(gè)三八譯碼器控制微指令地址的轉(zhuǎn)移方式。其本質(zhì)上仍是一個(gè)多路數(shù)據(jù)開關(guān)。</p><p><b>　　后繼地址產(chǎn)生邏輯：</b></p><p>　　當(dāng)QJP=1時(shí)JP=0，微地址計(jì)數(shù)器置數(shù)端輸入為0（置數(shù)低有效）微指令的高八位被屏蔽掉了，又因?yàn)橛兴膫€(gè)與門接地，所以輸出的低四位為全零，高四位只與機(jī)

19、器指令的高四位（操作碼）有關(guān)，這樣就實(shí)現(xiàn)了高四位按操作碼轉(zhuǎn)移，低四位為全零。</p><p>　　當(dāng)JP=1時(shí)QJP=0，微地址計(jì)數(shù)器置數(shù)端輸入為0（置數(shù)低有效）因?yàn)橛兴膫€(gè)與門接地且QJP=0，所以輸出只與微指令的高八位（μIR15-8）有關(guān)，這樣就實(shí)現(xiàn)了無條件轉(zhuǎn)移，地址由μIR15-8提供。</p><p>　　當(dāng)JP=0時(shí)QJP=0，微地址計(jì)數(shù)器置數(shù)端輸入為1（置數(shù)低有效）此時(shí)置數(shù)端無

20、效按一次單脈沖鍵微指令計(jì)數(shù)器從置數(shù)的輸入開始計(jì)數(shù)器自加1順序向下執(zhí)行，直到下一次微指令跳轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　一位全加器：</b></p><p>　　八位串行進(jìn)位并行加法器</p><p>　　微指令計(jì)數(shù)器μPC </p><p>　　微指令計(jì)數(shù)器不是真正的八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器起到計(jì)數(shù)功能的只有六位，高兩位是置

21、數(shù)的輸入。我們使用低六位來計(jì)數(shù)就足夠了，程序中微指令最多才自加4次就開始重新置數(shù)了。這樣設(shè)計(jì)只是為了簡(jiǎn)化硬件電路。</p><p><b>　　三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　這是微指令計(jì)數(shù)器底層模塊具有置數(shù)和端復(fù)位鍵，在來一次脈沖時(shí)自加一當(dāng)加到111時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)。</p><p><b>　　二選一選擇器</b

22、></p><p>　　這里的二選一是將八根線看成一組（R07-R00一組、R17-R10一組），從兩組中選出一組作為輸出。</p><p>　　不帶復(fù)位端的八位寄存器</p><p>　　帶復(fù)位端的八位寄存器</p><p>　　微指令格式微指令字長(zhǎng)16位即μIR15~μIR0</p><p><b>

23、;　　微指令字段定義</b></p><p>　　A選擇器控制：μIR15●μIR14</p><p>　　0 0 備用</p><p>　　0 1 RA</p><p>　　1 0 MA</p><p>　　1 1 備用</p><p&g

24、t;　　B選擇器控制：μIR13●μIR12</p><p>　　0 0 備用</p><p>　　0 1 PB</p><p>　　1 0 RB</p><p>　　1 1 備用</p><p>　　輸出分配 ：μIR11●μIR10●μIR9</p>

25、;<p>　　0 0 0 備用</p><p>　　0 0 1 CPR0</p><p>　　0 1 0 CPR1</p><p>　　0 1 1 CPPC</p><p>　　1 0 0 CPIR</p><

26、p>　　1 0 1 CPMAR</p><p>　　1 1 0 備用</p><p>　　1 1 1 備用</p><p>　　低位進(jìn)位控制：μIR8</p><p>　　0 C0=0</p><p>　　1

27、 C0=1</p><p>　　存儲(chǔ)器讀寫控制：μIR5●μIR4</p><p>　　1 0 RD</p><p>　　0 1 WR</p><p><b>　　后繼地址形成方式：</b></p><p>　　μIR2●μIR1●μIR0</p>

28、<p>　　0 0 0 備用</p><p>　　0 0 1 μPC+1 順序執(zhí)行微指令</p><p>　　0 1 0 JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由微指令的高八位μIR15-8提供</p><p>　　0 1 1 QJP高四位按操作碼轉(zhuǎn)移，地四位為0。</p>&

29、lt;p>　　1 0 0 YJP給定高四位第四位按源尋址方式轉(zhuǎn)移。</p><p>　　1 0 1 MJP給定高四位低四位按目的尋址方式轉(zhuǎn)移。</p><p>　　1 1 0 備用</p><p>　　1 1 1 備用</p><p>　　微命令形成邏輯

30、如下圖示</p><p><b>　　確定總體結(jié)構(gòu)：</b></p><p><b>　　1、寄存器的設(shè)置：</b></p><p>　　R0 R1 為通用寄存器，8位</p><p>　　IR為機(jī)器指令寄存器，8位</p><p>　　PC程序計(jì)數(shù)器，8位</p&g

31、t;<p>　　MAR為內(nèi)存地址寄存器</p><p><b>　　2、加法器的設(shè)置</b></p><p>　　為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用為8位帶串行進(jìn)位并行加法器</p><p><b>　　3、選擇器的設(shè)置</b></p><p>　　連入A選擇器的數(shù)據(jù)來源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0 寄存器

32、的數(shù)據(jù)。連入B選擇器的數(shù)據(jù)來源是PC數(shù)據(jù)和R1 寄存器的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4、數(shù)據(jù)通路</b></p><p><b>　　信息傳送路徑</b></p><p><b>　　邏輯設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、加法器的邏輯設(shè)計(jì)</p>&l

33、t;p>　　2、選擇器的邏輯設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3、寄存器的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　不帶復(fù)位的寄存器</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)中R0 R1 通用寄存器，可存放操作數(shù)或結(jié)果、中間結(jié)果，每個(gè)寄存器由8個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi 的作用下接受總線的數(shù)據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器機(jī)器指

34、令寄存器其結(jié)構(gòu)同通用寄存器。</p><p><b>　　帶復(fù)位的寄存器</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)中MAR地址寄存器是一個(gè)帶復(fù)位的寄存器，帶復(fù)位是指當(dāng)有復(fù)位信號(hào)時(shí)，MAR清零。</p><p><b>　　程序計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　PC加1是通過加法器實(shí)現(xiàn)的。</p

35、><p><b>　　部件之間的連接</b></p><p>　　由系統(tǒng)圖可看出，部件之間的連接是采用以CPU為中心的總線連接方式。加法器的輸出通過總線BUS連接到所有寄存器和存儲(chǔ)器的輸入端，除指令寄存器IR和地址寄存器MAR的輸出端外，其他部件的輸出端分別送入選擇器A和選擇器 B。</p><p><b>　　確定控制方式</b

36、></p><p><b>　　后繼地址產(chǎn)生邏輯</b></p><p>　　為簡(jiǎn)單起見直選三種后繼地址生成方式即增量方式、無條件轉(zhuǎn)移方式、安操作碼轉(zhuǎn)移方式 </p><p>　　當(dāng)EN=1時(shí)，為程序計(jì)數(shù)器執(zhí)行加1操作</p><p>　　當(dāng)EN=0時(shí)，且JP=1時(shí)，無條件轉(zhuǎn)移。</p>&l

37、t;p>　　當(dāng)EN=0時(shí)，且QJP=1時(shí)，按操作碼轉(zhuǎn)移。</p><p><b>　　微程序編寫</b></p><p><b>　　程序</b></p><p>　　MOV1 07# R0 </p><p>　　MOV2 02# R1 </p><p&

38、gt;　　ADD R0 R1 </p><p>　　MOV3 R1 (R0 ) </p><p>　　（2）操作碼二進(jìn)制代碼</p><p>　　MOV1 0001 </p><p>　　MOV2 0010 </p><p>　　ADD 0011 &l

39、t;/p><p>　　MOV3 0100 </p><p>　?。?）微程序入口（十六進(jìn)制代碼）</p><p>　　取指令入口： 00H</p><p>　　MOV1入口： 10H</p><p>　　MOV2入口： 20H</p><p>　　ADD 入口： 30H <

40、/p><p>　　MOV3入口： 40H</p><p><b>　　擬定指令系統(tǒng)</b></p><p><b>　　基本字長(zhǎng)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)平臺(tái)中配置的存儲(chǔ)器容量為256×8，顯然基本字長(zhǎng)只能定為8位。</p><p><b>　　指

41、令格式</b></p><p>　　指令格式可有單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令兩種，在雙字長(zhǎng)格式中，第二字節(jié)一般定義微操作數(shù)或操作數(shù)地址。</p><p><b>　　指令格式為：</b></p><p><b>　　指令類型</b></p><p>　　模型機(jī)有單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無操

42、作數(shù)指令。</p><p>　　操作碼OP共提供四位，最多可定義16條指令。</p><p>　　數(shù)據(jù)的傳送單位為8位（一個(gè)字節(jié)）</p><p><b>　　數(shù)據(jù)的傳送范圍 </b></p><p><b>　　尋址方式</b></p><p>　　由于指令較短、操作數(shù)僅為

43、兩位，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，將源操作數(shù)字段和目的操作數(shù)字段的尋址定義為不同的含義</p><p>　　源操作數(shù)尋址方式 目的操作數(shù)尋址方式</p><p>　　00 R0 00 R1</p><p>　　01 (R0) 01 (R0

44、) </p><p>　　10 I 10 I</p><p>　　11 D 11 D</p><p>　　Ri 表示操作數(shù)就在寄存器中</p><p>　　(Ri) 表示操作數(shù)地址在寄存器中</p>

45、<p>　　I指令的第二個(gè)字節(jié)微操作數(shù)或立即尋址</p><p>　　源操作數(shù)使用R0尋址</p><p>　　目的操作數(shù)使用R1尋址</p><p>　　MOV1 0001 10 00</p><p

46、>　　0000 01 11</p><p>　　MOV2 0010 10 00</p><p>　　0000

47、 00 01</p><p>　　ADD 0011 00 00</p><p>　　MOV3 0100

48、 00 01</p><p>　　MOV1源操作數(shù)按立即尋址目的操作數(shù)為操作數(shù)就在寄存器中，因?yàn)榱⒓磳ぶ吩撝噶钣蓛蓚€(gè)字節(jié)組成。</p><p>　　MOV2只有操作碼與MOV1不同</p><p>　　ADD源操作數(shù)：操作數(shù)就在寄存器中，目的操作數(shù)：為操作數(shù)就在寄存

49、器中，該指令由一個(gè)字節(jié)組成</p><p>　　MOV3 源操作數(shù)：操作數(shù)就在寄存器中，目的操作數(shù)：操作數(shù)地址在寄存器中。</p><p>　　將以上四條機(jī)器指令在RAM3#自00號(hào)單元順序存放并用十六進(jìn)制表示如下：</p><p>　　00 18</p><p>　　01 07</p><p&g

50、t;　　02 28</p><p>　　03 02</p><p>　　04 30 </p><p>　　05 41 </p><p>　　MOV1 07，R0 ；立即數(shù)07# R0 </p><p>　　MOV2 01，R1 ；立即數(shù)02# R1</

51、p><p>　　ADD R0，R1 ；(R0)+( R1) R1</p><p>　　MOV3 R1,（R0） ； R1 (R0) (存儲(chǔ)單元）</p><p>　　R0 中的數(shù)據(jù)在MOV1中作為操作數(shù)，在MOV3作為RAM3的地址R1 中相加后的結(jié)果就寫在這個(gè)地址中。</p><p>　　本指令完成的是07+02=09以上四條機(jī)器

52、指令執(zhí)行完成后RAM3的07號(hào)單元存放的為09。</p><p><b>　　指令執(zhí)行流程</b></p><p><b>　　微程序</b></p><p><b>　　心得體會(huì)：</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)過程我們發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題,鍛煉了實(shí)踐能力