最终版计算机组成原理课设报告复件.docx
- 文档编号:28259019
- 上传时间:2023-07-09
- 格式:DOCX
- 页数:56
- 大小:1.57MB
最终版计算机组成原理课设报告复件.docx
《最终版计算机组成原理课设报告复件.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《最终版计算机组成原理课设报告复件.docx(56页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
最终版计算机组成原理课设报告复件
大连海事大学
课程设计报告
课程名称:
计算机组成原理课程设计
成员:
2220123832张天夫
2220123917陈绵偕
设计时间:
2014年8月25日至9月5日
考核记录及成绩评定
题目
复杂模型机设计
完成的主要工作
·从理解指令、寄存器及I/O译码器的电路开始,逐步理清了数据通路框图中各元件的功能及协同工作过程。
·通过复习课本知识,掌握了指令的执行过程,进而设计出了十余条微指令,并设计出了三条新指令。
又通过三个程序验证了指令的正确性及实用性。
·把微指令流程图中标出的寻址方式理解了,并自主设计了一种新的操作数寻址方式实现的指令。
·成功连接了实验电路图,并执行了所设计的程序,排查了硬件故障问题。
成员分工
张天夫:
深入研究复杂模型机的原理和微指令,深入了解微指令的设计过程。
根据实验教程的电路图连线,检测电路;连接电脑,进行累加求和实验。
、
根据微指令的设计原理,设计同或运算、逻辑右移的微指令流程,重新设计指令操作码。
并设计可以验证新指令的两个程序。
陈绵偕:
设计寄存器间接寻址求和,修改微指令流程,设计寄存器间接寻址求和运算程序,排查电路箱偶尔的硬件故障,撰写设计报告。
思考实验任务书上设留的一些问题,通过复习查找课本及上网查阅资料做好验收实验的准备
综合评语(设计方案、实践环节、问题解答、设计报告)
成绩
2220123832
张天夫
2220123917
陈绵偕
1.设计任务与要求---------------------------------------------1
1.1课程设计的背景及目的-------------------------------------1
1.2课程设计的任务------------------------------------------1
1.3实验设备------------------------------------------------1
2.设计方案-----------------------------------------------------1
2.1计算机整体结构-----------------------------------------2
2.2存储器结构--------------------------------------------22.3运算器结构--------------------------------------------3
2.3.1运算器原理---------------------------------------3
2.3.2ALU及外围电路------------------------------------4
2.4微程序控制器结构--------------------------------------6
2.5输入输出设备结构----------------------------------------8
2.6复杂模型机预期功能-------------------------------------9
3.详细设计----------------------------------------------------9
3.1指令设计--------------------------------------------------9
3.2指令格式------------------------------------------------9
3.3指令系统-----------------------------------------------11
3.4译码原理-----------------------------------------------12
3.5微程序流程图--------------------------------------------13
3.6微指令格式----------------------------------------------15
3.7微指令格式--------------------------------------------=15
3.8微指令设计结果--------------------------------------16
4.设计结果及分析--------------------------------------------17
4.1累加求和的设计结果-------------------------------------17
4.2同或算法,并将结果缩小一倍---------------------------21
4.3改进的寄存器间接寻址求和-----------------------------23
4.4设计结果截图-------------------------------------------27
4.4.1累加求和的设计结果----------------------------27
4.4.2同或运算的设计结果---------------------------29
4.4.3寄存器间接寻址求和的设计结果-------------------31
5.成员分工及工作情况----------------------------------------33
6.实验总结--------------------------------------------------33
6.1收获与体会-------------------------------------------33
6.2遇到和问题和解决方法-----------------------------------34
6.3技术实现技巧和创新点----------------------------------34
6.4作品存在的问题和改进设想-----------------------------34
附录1电路原理图----------------------------------------------36
附录2:
源程序及程序注释----------------------------------------28
附录3:
使用元器件一览表----------------------------------------40
附录4、参考文献-----------------------------------------------43
1设计任务与要求
1.1课程设计的背景及目的
“计算机组成原理课程设计”是计算机科学与技术专业的学生在修完“计算机组成原理”课程之后,必须完成的实验环节。
本课程设计是在完成计算机组成原理分解实验的基础上,来进行模型计算机的整机实验。
通过模型机的设计、组装和调试,连贯运用“计算机组成原理”课学到的知识,建立计算机整机的概念,加深对计算机“时空”概念的理解,掌握设计和调试计算机的基本步骤和方法,提高应用集成电路的基本技能,培养和提高学生独立工作的能力、分析问题和解决问题的能力。
1.2课程设计的任务
1.掌握常用的集成电路芯片的工作原理、特性和应用;
2.按现有实验室提供的条件,设计模型计算机的结构,组成,数据格式、指令系统、微指令系统;
3.设计一个具有微程序控制器的计算机系统;
4.在组装调试成功的基础上,整理出设计说明书和其它文件(包括:
指令系统、总体图、整机电路逻辑图、元件排列图、操作流程图、操作时间表、微指令格式和微程序),撰写要简明扼要、文理通顺、图表清晰、结论正确的课程设计总结报告。
1.3实验设备
PC机一台,TD-CMA实验系统一套。
2、设计方案
2.1计算机整体结构
冯诺依曼体系结构采用二进制形式表示数据和指令,数字计算机的硬件是由五大部分组成,它包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等。
在电子计算机里,相当于算盘功能的部件叫做运算器;具有“记忆功能”的部件叫做存储器;把原始信息送入到计算机或者把运算结果显示出来的设备叫做输入设备或输出设备;能自动控制整个计算过程的叫做控制器。
下图为早期的冯诺依曼体系结构计算机。
图2-1冯诺依曼结构(以运算器为中心)
Figure2-1JohnVonNeumanStructure(Centeringontheunit)
下图为该复杂模型机的数据通路框图。
图2-2数据通路框图
Figure2-2DataPathDiagram
2.2存储器结构
2.2.1存储器原理
存储器是计算机各种信息存储与交换的中心。
在程序执行过程中,所要执行的指令是从存储器中获取,运算器所需要的操作数是通过程序中的访问存储器指令从存储器中得到,运算结果在程序执行完之前又必须全部写到存储器中,各种输入输出设备也直接与存储器交换数据。
把程序和数据存储在存储器中,是冯·诺依曼型计算机的基本特征,也是计算机能够自动、连续快速工作的基础。
存储器原理图如图2-5所示,实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元,CLR都连接至CON单元的CLR按钮。
实验时T3由时序单元给出,其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出,其中IOM应为低(即MEM操作),RD、WR高有效,MR和MW低有效,LDAR高有效。
图2-5存储器原理图
2.3运算器结构
2.3.1运算器原理
计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算,这个功能要由CPU中的运算器来完成,运算器也称作算术逻辑部件ALU。
本章首先安排一个基本的运算器实验,了解运算器的基本结构,然后再设计一个加法器和一个乘法器。
图2-3运算器原理图
运算器部件由一片CPLD实现。
ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上,另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。
请注意:
实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记‘’,表示这两根排针之间是连通的。
图中除T4和CLR,其余信号均来自于ALU单元的排线座,实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4,CLR都连接至CON单元的CLR按钮。
T4由时序单元的TS4提供(时序单元的介绍见附录二),其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。
控制信号中除T4为脉冲信号外,其余均为电平信号,其中ALU_B为低有效,其余为高有效。
图2-4ALU和外围电路连接原理图
表2-1复杂模型机功能表
助记符号
指令格式
指令功能
MOVRD,RS
ADDRD,RS
SUBRD,RS
ANDRD,RS
RRRD,RS
ORRD,RS
INCRD
0001RSRD
0011RSRD
1011RSRD
0100RSRD
0111RSRD
0110RSRD
1010**RD
RS-->RD
RD+RS-->RD
RD—RS-->RD
RD^RS-->RD
RS右环移-->RD
RDvRS-->RD
RD+1-->RD
LADMD,RD
STAMD,RS
JMPMD
BZCMD
1111M1RDD
1110MRDD
1101M**D
1100M**D
E-->RD
RD-->E
E-->PC
当FC或FZ=1时,
E-->PC
INRD,P
OUTP,RS
0101**RDP
0000RS**P
[P]-->RD
RS-->[P]
LDIRD,D
1001**RDD
D-->RD
HALT
0010****
停机
TONG
1000RSRD
RD⊙RSRD
2.4微程序控制器结构
微程序控制器原理:
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行,即将当前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列,完成数据传送和各种处理操作。
它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码,即将微命令的集合仿照机器指令一样,用数字代码的形式表示,这种表示称为微指令。
这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令,这种微指令序列称为微程序。
微程序存储在一种专用的存储器中,称为控制存储器。
图2-6微程序控制器组成原理框图
微程序控制器的组成见图2-7,其中控制存储器采用3片2816的E2PROM,具有掉电保护功能,微命令寄存器18位,用两片8D触发器(273)和一片4D(175)触发器组成。
微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D触发器(74)组成,它们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。
当T4时刻进行测试判别时,转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态,完成地址修改。
通过微程序控制器原理图可知,P<1>等检验位,SE0-SE4等译码位以及LDRi,LDA等微操作位均为低电平有效,这一点在弄清译码器逻辑时很重要。
图2-7微程序控制器原理图
2.5输入输出设备结构
IN单元和OUT单元原理图
图2-8IN单元
图2-9OUT单元
2.6复杂模型机预期功能
复杂模型机功能表
助记符号
指令功能
MOVRD,RS
ADDRD,RS
SUBRD,RS
ANDRD,RS
RRRD,RS
ORRD,RS
INCRD
RS-->RD
RD+RS-->RD
RD—RS-->RD
RD^RS-->RD
RS右环移-->RD
RDvRS-->RD
RD+1-->RD
LADMD,RD
STAMD,RS
JMPMD
BZCMD
E-->RD
RD-->E
E-->PC
当FC或FZ=1时,
E-->PC
INRD,P
OUTP,RS
[P]-->RD
RS-->[P]
LDIRD,D
D-->RD
HALT
停机
TONG
RD⊙RSRD
3、详细设计
3.1指令设计
模型机设计三大类指令共十六条,其中包括运算类指令、控制转移类指令,数据传送类指令。
运算类指令包含三种运算,算术运算、逻辑运算和移位运算,设计有7条运算类指令,分别为:
ADD、AND、INC、SUB、OR、RM(右移)、XOR(异或),所有运算类指令都为单字节,寻址方式采用寄存器直接寻址和寄存器间接寻址。
控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC,用以控制程序的分支和转移,其中HLT为单字节指令,JMP和BZC为双字节指令。
数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共6条,用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换,除MOV指令为单字节指令外,其余均为双字节指令。
3.2指令格式
所有单字节指令(ADD、AND、INC、SUB、OR、RM、XOR、HLT和MOV)格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
RS
RD
其中,OP-CODE为操作码,RS为源寄存器,RD为目的寄存器,并规定:
IN和OUT的指令格式为:
7654
32
10
7-0
OP-CODE
RS
RD
P
其中括号中的1表示指令的第一字节,2表示指令的第二字节,OP-CODE为操作码,RS为源寄存器,RD为目的寄存器,P为I/O端口号,占用一个字节,系统的I/O地址译码原理见图3-1(在地址总线单元)。
图3-1I/O地址译码原理图
由于用的是地址总线的高两位进行译码,I/O地址空间被分为四个区,如表3-1所示:
表3-1I/O地址空间分配
系统设计七种数据寻址方式,即立即、直接、间接、变址、相对寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址。
LDI指令为立即寻址,LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力,ADD、INC、SUB、OR、RM(右移)、XOR(异或)为寄存器寻址,AND为寄存器间接寻址方式。
LDI的指令格式如下,第一字节同前一样,第二字节为立即数。
7654
32
10
7-0
OP-CODE
RS
RD
Data
LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。
7654
32
10
7-0
OP-CODE
M
RD
D
其中M为寻址模式,具体见表3-2,以R2做为变址寄存器RI。
表3-2寻址方式
3.3指令系统
本实验开始给出了15条指令,有一条指令保留,自行设计。
我们根据指令格式及微指令设计规则设计了同或指令。
本模型机共有16条基本指令,表3-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
表3-3指令系统
Table3-3InstructionSystem
助记符号
指令格式
指令功能
MOVRD,RS
ADDRD,RS
SUBRD,RS
ANDRD,RS
RRRD,RS
ORRD,RS
INCRD
0001RSRD
0011RSRD
1011RSRD
0100RSRD
0111RSRD
0110RSRD
1010**RD
RS-->RD
RD+RS-->RD
RD—RS-->RD
RD^RS-->RD
RS右环移-->RD
RDvRS-->RD
RD+1-->RD
LADMD,RD
STAMD,RS
JMPMD
BZCMD
1111M1RDD
1110MRDD
1101M**D
1100M**D
E-->RD
RD-->E
E-->PC
当FC或FZ=1时,
E-->PC
INRD,P
OUTP,RS
0101**RDP
0000RS**P
[P]-->RD
RS-->[P]
LDIRD,D
1001**RDD
D-->RD
HALT
0010****
停机
TONG
1000RSRD
RD⊙RSRD
3.4译码原理
复杂模型机实验指令多,寻址方式多,只用一种测试已不能满足设计要求,为此指令译码电路需要重新设计。
如图3-2所示在IR单元的INS_DEC中实现。
图3-2指令译码原理图
译码电路逻辑表达式如下:
(“/”表示“非”)
SE0=/(T4(/P<1>I[2]I[6]I[7]+/P<1>/I[6]I[4]+/P<1>/I[7]I[4]+I[4]/P<2>))
SE1=/(T4(/P<1>I[3]I[6]I[7]+/P<1>/I[6]I[5]+/P<1>/I[7]I[5]+I[5]/P<2>))
SE2=/(T4/P<1>I[6])
SE3=/(T4/P<1>I[7])
SE4=/((FZ+FC)T4/P<3>)
本实验中要用到四个通用寄存器R3…R0,而对寄存器的选择是通过指令的低四位,为此还得设计一个寄存器译码电路,在IR单元的REG_DEC(GAL16V8)中实现,如图3-3所示。
图3-3寄存器译码原理图
3.5微程序流程图
3.6微指令格式
本实验规定的微指令格式如下图3-5所示。
图3-5微指令格式
3.7实验接线图
图3-6实验接线图
3.8微指令设计结果
表3-8二进制代码表
Table3-8
地址
十六进制表示
高五位
S3-S0
A字段
B字段
C字段
UA5-UA0
00
000001
00000
0000
000
000
000
000001
01
006D43
00000
0000
110
110
101
000011
02
002419
00000
0000
010
010
000
011001
03
107070
00010
0000
111
000
001
110000
04
002405
00000
0000
010
011
000
000101
05
04B201
00000
1001
011
001
000
000001
06
002407
00000
0000
010
011
000
000111
07
013201
00000
0010
011
001
000
000001
08
106009
00010
0000
110
000
000
001001
09
183001
00011
0000
011
000
000
000001
0A
106010
00010
0000
110
000
000
010000
0B
000001
00000
0000
000
000
000
000001
0C
103001
00010
0000
011
000
000
000001
0D
200601
00100
0000
000
001
100
000001
0E
005341
00000
0000
101
001
101
000001
0F
0000CB
00000
0000
000
000
011
001011
10
280401
00101
0000
000
010
000
000001
11
103001
00010
0000
011
000
000
000001
12
06B201
00000
1101
011
001
000
000001
13
002414
00000
0000
010
011
000
010100
14
05B201
00000
1011
011
001
000
000001
15
002416
00000
0000
010
011
000
010110
16
01B201
00000
0011
011
001
000
000001
17
002418
00000
0000
010
011
000
011000
18
033201
00000
0110
011
001
000
000001
19
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 最终版计算机组成原理课设报告 复件 最终版 计算机 组成 原理 报告