計算機組成原理課程設計--簡單計算機的設計

1、<p>　　計算機組成原理課程設計</p><p><b>　　設計任務：</b></p><p>　　綜合前面實驗單元典型部件設計與調(diào)試，對數(shù)據(jù)選擇器（A、B）、計數(shù)器、運算器、寄存器和微程序控制器透徹了解的基礎上，完成一個簡單計算機的設計，使其具有簡單運算功能：取數(shù)、讀數(shù)、做加法、送數(shù)等。 </p><p><b>　　

2、設計目的：</b></p><p>　　通過一個簡單計算機的設計，對計算機系統(tǒng)的基本組成、部件的設計、部件間的連接、微程序的編制與調(diào)試等全過程有一個較為綜合、深入的認識和理解。 </p><p><b>　　設計與調(diào)試步驟：</b></p><p>　　結(jié)合計算機組成原理的教學內(nèi)容和課程設計平臺系統(tǒng)，計算機的設計與調(diào)試步驟如下： &

3、lt;/p><p><b>　　數(shù)據(jù)通路：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)通路的設計在總體結(jié)構(gòu)中是最重要的一個環(huán)節(jié)。實驗室的仿真模型機的數(shù)據(jù)通路是以總線為基礎、以CPU為核心構(gòu)成的。</p><p><b>　　系統(tǒng)簡介:</b></p><p>　　機器指令存放在3#RAM中將3#RAM作為內(nèi)存使用

4、，機器指令是按由上到下順序執(zhí)行的，其執(zhí)行順序由PC（程序計數(shù)器）和MAR（地址寄存器）控制。2#RAM和1#RAM作為控制存儲器簡稱為控存一條微指令由十六個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μPC+1安順序執(zhí)行微指令為010時JP無條件轉(zhuǎn)移，地址由μIR15-8提供。本簡單計算機基于簡化處理μIR15-8均為0它代表了均跳向為指令寄存器的00入口即取指

5、令入口。為011時 QJP高四位安機器指令的操作碼轉(zhuǎn)移，第四位為0其由后繼地形成邏輯實現(xiàn)，所有涉及的地址轉(zhuǎn)移均為指令的轉(zhuǎn)移。因為機器指令是按順序執(zhí)行的。每按一次單脈沖鍵執(zhí)行一條微指令，一條機器指令由若干條微指令組成，一條微指令由十六個微命令組成其中因為μIR3μIR6μIR7全為零故省略掉了。</p><p>　　為保證機器指令是從第一條開始順序執(zhí)行的，在操作前應按一次復位鍵將微指令計數(shù)器μpc，機器指令計數(shù)器p

6、c，內(nèi)存地址寄存中的內(nèi)容清零。第一條微指令地址為00，微操作為RAM→IR即從內(nèi)存中取出指令放到機器指令寄存器中，此時地址寄存器中的內(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)容做好準備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時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 000

7、0， 因此此時置數(shù)有效微地址輸出為10（十六進制）。</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，

8、所以微地址轉(zhuǎn)向00，再次進行取指令。</p><p>　　在3#RAM的02地址中取出MOV2指令28放進機器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（03）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時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， 因此此時置數(shù)有效微地址輸出為20（十六進

9、制）。</p><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，再次進行取指令。</p&

10、gt;<p>　　在3#RAM的04地址中取出ADD指令30放進機器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（05）為取下一條內(nèi)存內(nèi)容做好準備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時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 ，因此時置數(shù)有效微地址輸出為30（十六進制）。</p><p>　　根據(jù)微地址

11、30執(zhí)行R0 +R1= R1 PC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)容做好準備。下一個微指令為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，再次進行取指令。</p><p>　　在3#RAM的05地址中取出MOV3指令41放進機器指令寄存器，取出指令后PC+1→PC（06）為取下一條

12、內(nèi)存內(nèi)容做好準備，再按一次單脈沖鍵執(zhí)行QJP及按操作碼轉(zhuǎn)移，此時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 ，因此時置數(shù)有效微地址輸出為40（十六進制）。</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

13、內(nèi)存中地址為03的數(shù)據(jù)傳送至R1→RAM 下一步為PC→MAR存入的為06。下一個微指令為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，再次進行取指令。</p><p>　　至此MOV1 MOV2 ADD MOV3 均執(zhí)行完畢完成了兩個數(shù)的相加操作。如果是07+02=09那么內(nèi)存的07號地址中就存放了相加結(jié)果09。</p>

14、;<p><b>　　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wr為1時可以寫內(nèi)存，同時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 中的一個或一個也不送。</p><p>　　AD0-7

15、 為內(nèi)存的地址線。</p><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>　　Rs

16、t2為復位鍵，可對PC,μPC.,MAR進行復位。 </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

17、多路數(shù)據(jù)開關(guān)。</p><p><b>　　三八譯碼器邏輯：</b></p><p>　　三八譯碼器的一組輸入對應的輸出中只有一個為1其余為零。</p><p>　　設計中用到了兩個三八譯碼器其中一個的輸入為μIR11、μIR10、μIR9，輸出用到的五個分別控制R0 、R1 、 IR 、PC 、MAR 五個寄存器的數(shù)據(jù)開關(guān)。因為其輸出同一時刻

18、只有一個1，這就保證了同一時刻只對一個寄存器操作，另外還有五個寄存器均不操作時的情況，例如寫內(nèi)存的操作。另外一個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QJP=1時JP=0，微地址計數(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，又因為有四個與門接地，所

19、以輸出的低四位為全零，高四位只與機器指令的高四位（操作碼）有關(guān)，這樣就實現(xiàn)了高四位按操作碼轉(zhuǎn)移，低四位為全零。</p><p>　　當JP=1時QJP=0，微地址計數(shù)器置數(shù)端輸入為0（置數(shù)低有效）因為有四個與門接地且QJP=0，所以輸出只與微指令的高八位（μIR15-8）有關(guān)，這樣就實現(xiàn)了無條件轉(zhuǎn)移，地址由μIR15-8提供。</p><p>　　當JP=0時QJP=0，微地址計數(shù)器置數(shù)端

20、輸入為1（置數(shù)低有效）此時置數(shù)端無效按一次單脈沖鍵微指令計數(shù)器從置數(shù)的輸入開始計數(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>　　八位串行進位并行加法器</p><p>　　微指令計數(shù)器μPC </p><p>　　微指令計數(shù)器不是真正的八位二進制計數(shù)器

21、起到計數(shù)功能的只有六位，高兩位是置數(shù)的輸入。我們使用低六位來計數(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。這樣設計只是為了簡化硬件電路。</p><p><b>　　三位二進制計數(shù)器</b></p><p>　　這是微指令計數(shù)器底層模塊具有置數(shù)和端復位鍵，在來一次脈沖時自加一當加到111時產(chǎn)生進位信號。</p><p><b&

22、gt;　　二選一選擇器</b></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>　　不帶復位端的八位寄存器</p><p>　　帶復位端的八位寄存器</p><p>　　微指令格式微指令字長16位即μIR15~μIR0</p>

23、<p><b>　　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&l

24、t;/p><p>　　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●μI

25、R10●μIR9</p><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 CPI

26、R</p><p>　　1 0 1 CPMAR</p><p>　　1 1 0 備用</p><p>　　1 1 1 備用</p><p>　　低位進位控制：μIR8</p><p>　　0 C0=0</p><

27、p>　　1 C0=1</p><p>　　存儲器讀寫控制：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

28、●μIR0</p><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

29、位為0。</p><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>&

30、lt;p>　　微命令形成邏輯如下圖示</p><p><b>　　確定總體結(jié)構(gòu)：</b></p><p><b>　　1、寄存器的設置：</b></p><p>　　R0 R1 為通用寄存器，8位</p><p>　　IR為機器指令寄存器，8位</p><p>　　P

31、C程序計數(shù)器，8位</p><p>　　MAR為內(nèi)存地址寄存器</p><p><b>　　2、加法器的設置</b></p><p>　　為簡化設計，采用為8位帶串行進位并行加法器</p><p><b>　　3、選擇器的設置</b></p><p>　　連入A選擇器的數(shù)據(jù)來

32、源是RAM的讀出數(shù)據(jù)和R0 寄存器的數(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>　　邏輯設計</b></p><p>　　1、加法器的邏

33、輯設計</p><p>　　2、選擇器的邏輯設計</p><p><b>　　3、寄存器的設計</b></p><p><b>　　不帶復位的寄存器</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，每個寄存器由8個D觸發(fā)器構(gòu)成。在CPRi 的作用下接受總線的數(shù)

34、據(jù)送入寄存器，輸出連入選擇器機器指令寄存器其結(jié)構(gòu)同通用寄存器。</p><p><b>　　帶復位的寄存器</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)中MAR地址寄存器是一個帶復位的寄存器，帶復位是指當有復位信號時，MAR清零。</p><p><b>　　程序計數(shù)器的設計</b></p><p>　　PC加

35、1是通過加法器實現(xiàn)的。</p><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&

36、gt;　　確定控制方式</b></p><p><b>　　后繼地址產(chǎn)生邏輯</b></p><p>　　為簡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EN=1時，為程序計數(shù)器執(zhí)行加1操作</p><p>　　當EN=0時，且JP=1時，無條件

37、轉(zhuǎn)移。</p><p>　　當EN=0時，且QJP=1時，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 &

38、lt;/p><p>　　ADD R0 R1 </p><p>　　MOV3 R1 (R0 ) </p><p>　?。?）操作碼二進制代碼</p><p>　　MOV1 0001 </p><p>　　MOV2 0010 </p><p>　　ADD

39、 0011 </p><p>　　MOV3 0100 </p><p>　?。?）微程序入口（十六進制代碼）</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

40、： 30H </p><p>　　MOV3入口： 40H</p><p><b>　　擬定指令系統(tǒng)</b></p><p><b>　　基本字長</b></p><p>　　課程設計平臺中配置的存儲器容量為256×8，顯然基本字長只能定為8位。</p><

41、p><b>　　指令格式</b></p><p>　　指令格式可有單字長指令和雙字長指令兩種，在雙字長格式中，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

42、有單操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令和無操作數(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&

43、gt;　　由于指令較短、操作數(shù)僅為兩位，為了簡化硬件設計，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)

44、 01 (R0) </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

45、在寄存器中</p><p>　　I指令的第二個字節(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

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

47、>　　0000 00 01</p><p>　　ADD 0011 00 00</p><p>　　MOV3

48、 0100 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，因為立即尋址該指令由兩個字節(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

49、器中，目的操作數(shù)：為操作數(shù)就在寄存器中，該指令由一個字節(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>　　將以上四條機器指令在RAM3#自00號單元順序存放并用十六進制表示如下：</p><p>　　00 18</p><p>　　01 07&l

50、t;/p><p>　　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

51、；立即數(shù)02# R1</p><p>　　ADD R0，R1 ；(R0)+( R1) R1</p><p>　　MOV3 R1,（R0） ； R1 (R0) (存儲單元）</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)果就寫在這個地址中。</p><p>　　本指令完

52、成的是07+02=09以上四條機器指令執(zhí)行完成后RAM3的07號單元存放的為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：</b></p><p>　　在此次課程設計過程中，我們通過查

53、閱資料，自學和與同學交流經(jīng)驗，并向老師請教等方式，綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題,鍛煉了實踐能力，對我們的實際工作能力有了具體的訓練和考察。在給同學講解的過程中，深刻理解了所學知識，也培養(yǎng)了我們團隊合作的能力，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我們充分體會到了創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的不完美，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我

54、們終身受益。</p><p>　　此次計算機組成原理課程設計中學到很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我們懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程