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1、前 言改革开发以来，我国经济建设各方面取得了很大成就，在科学、技术和制造等领域，正从引进向创新阶段迈进，只有创新才能自立。计算机软件和微电子是国家重点发展的目标之一，计算机软件运行在计算机上，微电子的水平体现在微处理器的设计和制造能力上，其他学科也有类似情况，这就说明了为什么多个专业都需要了解计算机硬件。而作为计算机专业的学生不仅要掌握计算机软件的开发与利用，还要学会从计算机的硬件结构上分析设计计算机。然而，许多同学惧怕硬件。没有硬件，何来软件？并且，随着计算机技术发展，计算机软硬件界限开始变得模糊，已经出现采用软件方法来设计硬件。本学期开的计算机组成与结构就是为了满足计算机硬件教学的要求。计
2、算机对数字化的信息进行运算处理的方式是采用一种存储程序工作方式，即先编写程序，再由计算机将这些程序存储起来，然后通过连续，快速地执行程序实现各种运算处理。为了存储程序与数据，需要存储器；为了进行运算处理，需要运算器；为了输入程序和数据，以及输入程序和数据，以及输出运算结果，需要有输入设备和输出设备；控制器则对计算机的工作精心控制管理。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。计算机组成与结构课程设计一方面检验本学期所学的相关知识，另一方面培养实际的动手操作能力。目录前 言1任务书3第1章实验计算机的设计7
3、1.1 确定设计总要求71.2设计整机逻辑框图71.3设计指令系统91.4设计指令执行流程101.5确定微操作控制信号及实现方法181.6设计微指令格式201.7确定微程序控制方式211.8编写各指令的微程序231.9设计实验接线表251.10编写调试程序261.11编写应用程序29第2章 实验计算机的组装302.1器件排列302.2信号连线302.3实验接线板安装30第3章 实验计算机的调试313.1调试准备313.2程序调试31第4章 计算机故障排除324.1故障类型和原因324.2故障的分析查找32小结34参考文献35任务书课程设计题目：研制一台实验计算机利用 FDCES 实验仪提供的硬
4、件资源（功能模块、控制台及外设等），按设计、组装、调试等步骤研制一台微程序控制的实验计算机。课程设计任务内容1. 课程设计的目的意义：通过课程设计培养同学们的系统设计能力，使同学们达到以下能力训练：1) 调查研究、分析问题的能力；2) 制定设计方案的能力；3) 计算机应用的能力；4) 设计计算和绘图的能力；5) 语言文字表达的能力。2. 本课题研究的主要内容：研制一台性能如下的实验计算机：a. 不使用外部设备。b. 运算器采用多累加器结构。 c. 操作数寻址方式有：直接地址寻址立即数寻址寄存器直接寻址d. 指令系统由如下8条指令组成：指令编码指令助记符指令功能第一字节第二字节I7 I6 I5
5、I4I3 I2 I1I0 0 0 0 Ai X AjADD Ai,Aj(Ai)+(Aj)-Ai 0 0 1 Ai X AjMOV Ai,Aj(Ai)- Ai 0 1 0 Ai X AjSL Ai,AjAj算术左移一位送 Ai 0 1 1 Ai X X XMOV Ai,#dataData-Ai 0 1 1 Ai 0 a9a8a7-a0LD Ai,addr(addr)-Ai 0 1 1 Ai 0 a9a8a7-a0ST Ai, addr(Ai)-addr 1 1 0 X X 0 a9a8a7-a0JMP addraddr-PC 1 1 1 X X 0 a9a8a7-a0JZ addr若ZD=1ad
6、dr-PC,否则PC加1能执行将内存某一单元内容（非零）扩大4倍后存入另一个单元（程序自编）3. 提交的成果：一份符合毕业设计论文规范的课程设计说明书课程设计统一使用学校印制的课程设计封面及课程设计袋。课程设计袋按要求认真填写，字体要工整，卷面要整洁，手写一律用碳素墨水书写。课程设计除课程设计袋的其它资料鼓励用计算机打印。课程设计按统一顺序装订：（1） 封面（2） 前言（3） 目录（4） 课程设计任务书（须有指导教师签名及日期）（5） 正文（分章、层次等，每一章从新的一页开始）（6） 小结（7） 参考文献（8） 课程设计图纸IV 课程设计的基本步骤整个课程设计的过程分为三个阶段：设计、组装、调
7、试。第一阶段：实验计算机的设计l 确定设计总要求。这包括：（1）实验计算机是否使用外设（键盘和打印机），以什么方式使用外设（程序查询IO方式还是中断IO方式）。（2）实验计算机运算器采用什么结构（如多通用寄存器结构、多累加器结构等）。（3）实验计算机功能和用途（如可对键盘输入的两个2位十进制数进行四则运算，由打印机输出结果）。（4）实验计算机指令系统规模（共有多少条指令，指令功能等) （5）微操作控制信号的实现方法。2 设计整机逻辑框图根据设计要求，对实验仪硬件资源进行逻辑剪辑组合，便可设计出该实验计算机的整机逻辑框图。3 设计指令系统需确定实验计算机的指令系统具体由哪些指令组成，包含哪几种类
8、型指令，指令操作数有哪几种寻址方式，以及指令编码等。这要兼顾必要性（编程方便）和可行性（硬件条件）。4 设计指令执行流程应根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程。对于微程序控制的计算机设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含微操作的必要性和合理性，防止微操作之间有时序冲突，为此要分析：* 哪些微操作信息可以安排在同一条微指令中；* 哪些微操作信息必须安排在同一条微指令中；* 哪些微操作信息不能安排在同一条微指令中。5 确定微操作控制信号及其实现方法本设计阶段任务是综合实验计算机指令系统各指令执行流程中涉及到的微操作控制信号，统计总共需多少个微操作控制信号，每个信号的有效性，
9、决定这些信号中哪些由软件（微指令）直接产生，哪些需用硬件（TTL）实现。6 设计微指令格式微指令长24位，若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，那么至多可有24个微操作控制信号可由微码直接实现。如果采用分组编码译码，那么n位微码通过二进位译码可实现2n个互斥的微操作控制信号（即它们不可能在同一节拍内激活）。本阶段设计任务是决定双位长的微指令是否分段定义、各段段长；决定微指令各码位含义和有效性；对其中尚需用硬件作后继处理的信号加以注明如 M0RC，表示对M0尚需作后继处理才能产生有效的RC信号（注：RC为读内存控制信号，负脉冲有效）。对于那些允许同时有效且有效性一致的微操作控制信号可以合用一个
10、微码表示。如果实验计算机指令系统规模较小，功能也不太复杂，那么通常情况下推荐采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。7 确定微程序控制方式这阶段设计任务包括设计各微程序入口地址的形成方法和控存的顺序控制（即下址形成）方法。8 编写各指令的微程序根据指令流程和微指令格式仔细地逐条填写微指令各码位。9 设计实验接线表10 编写调试程序实验计算机调试程序通常包括：存取类指令调试程序、传送类指令调试程序、算术逻辑类指令调试程序、跳转类指令调试程序和I/O设备调试程序等。11 编写应用程序用实验计算机指令系统编写实验计算机应用程序，例如四则运算程序、图形打印程序等。第二阶段：实验计算机的组装采用TTL器件
11、实验板实施前面设计的实验接线表。FDCES实验仪提供的TTL器件实验板参见实验指导书。在正式组装前，先检验将要使用的该实验接线板，认清该板信号接线插座上所标符号，检验将要使用的集成电路型号。第三阶段：实验计算机的调试组装无误，便可进入加电调试阶段，先静态后动态。实验计算机是一个较大的数字系统，研制实验计算机是个较复杂的过程，难免会出现这样或那样的故障，重要的是能正确地分析故障和排除故障，从而提高实验者分析和解决数字系统问题的综合能力。指导教师（签字）:完成日期: 年 月 日接受任务书学生（签字）:第1章实验计算机的设计1.1 确定设计总要求(1) 不使用外设。(2) 运算器采用多累加器结构。(
12、3) 能将内存中某一单元(非零)内容乘以4后在将结果放到另一单元。(4) 计算机共有8条指令，下列7种功能的指令：算术加法指令ADD数据传送指令MOV算术移位(左移)指令SL 存储器读操作指令LD存储器写操作指令ST 程序无条件跳转指令JMP带条件跳转指令JZ (5) 微操作控制信号的实现（1） 对于电平有效的微操作控制信号，通常可由微指令码直接实现。（2） 对于脉冲型微操作控制信号，通常需要外加门电路实现。（3） 对需要多个操作控制信号的器件：由不少器件，它执行某种操作需要多个微操作控制信号同时有效。对此，通常可将其中某个（某些）信号事先固定准备好。（4） 对只需要一个电平跳变有效的操作信号
13、的器件：通常需外接门电路加以实现。1.2 设计整机逻辑框图根据设计要求，对实验仪硬件资源进行逻辑剪辑组合，便可设计出该实验计算机的整机逻辑框图(图1-1)。实验整机由运算器模块，寄存器堆模块，内存模块，微程序控制模块有序组合而成。其中运算器模块（ALU）主要由累加器A(74198)、运算器ALU(74181x2)、累加器暂存器ACT(74377)、暂存器TMP(74373)、输出缓冲器BUFFER(74245)，以及进位产生线路、累加器判零线路等构成；内存模块为用户提供有效的内存空间；寄存器模块由两片74670组成，提供4个8位寄存器；微程序控制模块主要由11位微地址计数器MPC（74163x
14、3）、2Kx24 bit的控存CM（6116x3），以及24位微指令寄存器MIR(74377x3)组成。图1-1整机逻辑框图1.3 设计指令系统一、 指令类型指令系统含以下类型指令：1. 算术运算类指令ADD Ai , Aj2. 移位操作类指令SLAi , Aj3. 数据传送类指令MOVAi , AjMOVAi , #data4. 程序跳转控制类指令JMPaddrJZaddr5. 存储器操作类指令LDAi , addrSTAi , addr二、 指令操作数寻址方式及其编码对于运算器采用多累加器结构的实验计算机，其指令系统操作数寻址方式有有多种。需确定实验计算机的指令系统具体由哪些指令组成，包含
15、哪几种类型指令，指令操作数有哪几种寻址方式，以及指令编码等。这要兼顾必要性（编程方便）和可行性（硬件条件）。1、 直接地址寻址LD Ai addr ；(addr)-Ai 指令第一字节低3位和指令第二字节8位构成11位操作数地址，指令第一字节高5位含有累加器Ai选择码段。 第一字节 第二字节a10a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0 操作码，Bx选择码 11位形式地址2、 累加器直接寻址单字节指令 MOV Ai, Aj ；(Aj)-Ai 指令（第一）字节含有两个累加器选择码段，分别用于选择Ai和Aj。 含操作码及Ai选择码，选择码Aj3、 立即数寻址双字节指令MOV Ai,#data ；da
16、ta-Ai指令第一字节中含有一个累加器选择码段。 第一字节 第二字节 操作码及Ai选择码 8位立即数data1.4 设计指令执行流程应根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程。我们知道，一条指令从内存驱除到执行完，需要若干个机器周期（节拍）。任何指令的第一个机器周期都是“取指令在周期”，或称为公操作周期。而一条指令共需几个机器周期取决于指令在机器内实现的复杂程度。对于微程序控制的计算机设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含微操作的必要性和合理性，防止微操作之间有时序冲突，为此要分析：*哪些微操作信息可以安排在同意条微指令中；*哪些微操作信息必须安排在同意条微指令中；*哪些微
17、操作信息不能安排在同一条微指令中。另外，还应记住：总线IAB、IDB、OAB。ODB仅是传输信息的通路而已，无寄存信息的功能；利用总线传输信息时要保证信息的唯一性（不能有一个以上期间想总先发送信息）；ALU是输出缓冲器BUFFER 仅是三态传输门电路，无寄存功能。下面先列举部分指令的执行周期：ADD指令的指令周期，见图1-2。图1-2 ADD指令的指令周期ST指令的指令周期，见图1-3。图1-3ST指令的指令周期JMP指令的指令周期，见图1-4。图1-4JMP指令的指令周期1、 单字节指令ADD Ai,Aj 该指令功能为(Ai)+(Aj)-Ai，需执行如下微操作： PCO B1 (1) (PC
18、)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2,B3 CI,GI(2) (M)-ODB-IDB-IR1读出指令字节送IR1。 P+1,CK (3) (PC) + 1-PCI PC加1计数，为取下条指令字节准备。 RR, A, B CG(4) (Ai)-IDB-ACT读Ai，经IDB送入ACT，为ALU准备好被加数。 RR, A, B CT(5) (Aj)-IDB-TMP读Aj，经IDB送入ACT，为ALU准备好加数 OT, A, B, RR, Cn, M, S3, S2, S1, S0(6) (ACT)+(TMP)-AALU执行加法，结果暂存到累加器A 。 SA, SB, C(7) Cn +
19、 4-CY据加法结果置进位标志CY。 OB WR, A, B(8) (A)-IDB-Ai累加器内容经BUF，IDB存入Ai。其中，（1）（2）必须同一拍；（5）（6）也必须同一拍；（5）后可以和（6）（7）同一拍（这是TMP设置为直通，CT=1，OT=0），但不可以和（4）同一拍；（4）单独一拍；（3）可以和（1）（2）合一拍或与（4）合一拍。具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）T2（第三拍）：（5）（6）（7）T3（第四拍）：（8）2、 单字节指令MOV Ai, Aj该指令功能为(Aj)-Ai，需执行如下微操作： PCO B1 (1) (PC)-IAB-OA
20、B根据PC访问内存。 RC B2,B3 CI,GI(2)（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1,CK(3) (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 RR,A,B CT(4) (Aj)-IDB-IR2读Aj，经IDB送入IR2。 RC B2,B3 WR,A,B(5) （M）-ODB-IDB-Ai从内存读出操作数送入Ai 。 P+1,CK(6) (PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。其中（1）（2）必须同一拍；（4）须一拍；（5）（6）也必须同一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）合一拍或和（4）合一拍；具体方案如下：T0（第一拍
21、）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）T2（第三拍）：（5）（6）3、 单字节指令SL Ai, Aj该指令功能为 (Aj)算术左移一位送Ai，需执行如下微操作： PCO B1 （1） (PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2,B3 CI,GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1 取出本指令第一字节送IR1。 P+1,CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 X0, X1, CB, SB, SA, CP（4） （A），CY-A,CY控制累加器A内容带到进位CY左环移一位。 RR,A,B CT（5）(Aj)-IDB-IR2读Aj，经IDB送入IR2
22、。 RC B2,B3 WR,A,B（6）（M）-ODB-IDB-Ai从内存读出操作数送入Ai P+1,CK（7）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。其中（1）（2）必须同一拍；（4）须一拍；（5）（6）也必须同一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）合一拍或和（4）合一拍；（7）可以和（5）（6）合一拍；具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）T2（第三拍）：（5）（6）（7）4、双字节指令 MOV Ai,#data 该指令功能为Data-Ai，需执行如下微操作： PCO B1 （1） (PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2,B
23、3 CI,GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1,CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 PCO B1（4）(PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2,B3 CL（5）(M)-ODB-IDB-IR2取出本指令第二字节送IR2。 P+1,CK（6）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。其中（1）（2）必须同一拍；（4）（5）也必须同一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）合一拍；（6）可以单独一拍或和（4）（5）合一拍。具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）（5）（
24、6）4、 双字节指令LD Ai,addr该指令功能为(addr)-Ai，需执行如下微操作： PCO B1 （1）（PC）-IAB -OAB根据PC访问内存。 RC B2,B3 CI,GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1,CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 PCO B1（4）(PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2,B3 CL（5）(M)-ODB-IDB-IR2取出本指令第二字节送IR2。 P+1,CK（6）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。 OI BI（7） I2,I1,I0(IR2
25、)-IAB-OAB 由IR1低3位和IR2的8位形成11位操作数地址。 RC B2,B3 WR,A,B（8） (M)-ODB-IDB-Ai 从内存读出操作数存入Ai 。其中（1）（2）必须同一拍；（5）（6）也必须同一拍；（7）（8）也必须同一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）同一拍；（6）可单独一拍也可和（4）、（5）合一拍或者和（7）（8）合一拍。具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）（5）（6）T2（第三拍）：（7）（8）6、双字节指令ST Ai, adder该指令功能为(Ai)-addr，需执行如下微操作： PCO B1 （1）（PC）-IAB -O
26、AB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CI, GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1,CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 PCO B1（4）(PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CL（5）(M)-ODB-IDB-IR2取出本指令第二字节送IR2。 P+1, CK（6）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。 OI BI（7） I2,I1,I0(IR2)-IAB-OAB 由IR1低3位和IR2的8位形成11位操作数地址。 RC B2, B3 WR, A, B（8） (M)-O
27、DB-IDB-Ai 从内存读出操作数存入Ai 。其中（1）（2）必须同一拍；（5）（6）也必须同一拍；（7）（8）也必须同一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）同一拍；（6）可单独一拍也可和（4）、（5）合一拍或者和（7）（8）合一拍。具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）（5）（6）T2（第三拍）：（7）（8）7、双字节指令JMP addr 该指令功能为Addr-PC ，需执行如下微操作： PCO B1 （1） (PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CI, GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1
28、, CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 PCO B1（4）(PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CL（5）(M)-ODB-IDB-IR2取出本指令第二字节（即addr低8位）送IR2。 P+1, CK（6）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。 OI LP（7） I2,I1,I0(IR2)-IAB-PC由IR1低3位和IR2的8位形成转移地址送程序计数器PC。其中（1）（2）必须同一拍；（4）（5）也必须同一拍；（7）单独一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）合一拍；（6）是冗余操作。具体方案如下：T0（第一拍）
29、：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）（5）（6）T2（第三拍）：（7）8、双字节指令JZ addr 该指令功能为若ZD=1则addr-PC,否则PC加1 ，需执行如下微操作： PCO B1 （1） (PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CI, GI（2）（M）-ODB-IDB-IR1取出本指令第一字节送IR1。 P+1, CK（3） (PC) + 1-PCIPC加1，为取本指令下一字节准备。 PCO B1（4）(PC)-IAB-OAB根据PC访问内存。 RC B2, B3 CL（5）(M)-ODB-IDB-IR2取出本指令第二字节（即addr低8位）送IR2。
30、P+1, CK（6）(PC) + 1-PCIPC加1，为取下一指令字节准备。 OI LP（7） I2,I1,I0(IR2)-IAB-PC由IR1低3位和IR2的8位形成转移地址送程序计数器PC。其中（1）（2）必须同一拍；（4）（5）也必须同一拍；（7）单独一拍；（3）可以单独一拍或和（1）（2）合一拍；（6）是冗余操作。具体方案如下：T0（第一拍）：（1）（2）（3）T1（第二拍）：（4）（5）（6）T2（第三拍）：（7）1.5 确定微操作控制信号及实现方法本设计阶段任务是综合实验计算机指令系统各指令执行流程中涉及到的微操作控制信号，统计总共需多少个微操作控制信号，每个信号的有效性，决定这些
31、信号中哪些由软件（微指令）直接产生，哪些需用硬件（TTL）实现。1、ALU的操作控制信号Cn、M、S3、S2、S1、S0可由某6位微指令码直接控制；运算器模块中暂存器TMP的操作控制信号CT和OT也都是电平有效，故也可用某两位微码控制。2、内存的读控制信号RC宜采用负脉冲，以保证内存读取数据的可靠性：可以用“与非”门实现 RC=/（Mi*） 或者用“或”门实现 RC=Mi+/ 若采用式，则Mi为“1”有效；若采用式，则Mi为“0”有效；3、累加器A（74198）的操作至少需要X0、X1和CA 3个控制信号，其中XO、X1是电平有效，CA是电平正跳变有效。我们不妨把CA固定接（后沿有效），XO、
32、X1分别由微码Mi、Mj控制；指令寄存器IR1(74377)的接数有GI和CI两个控制信号。当GI为“0”且CI电平正跳时IR1接数。我们可把CI固定接（后沿有效），而GI由某位微码控制产生；对数据总线转送器件74245，它的操作B2,B3需两个电平型控制信号。我们可以把B3固定接RF使运行时允许74LS245传送，而传送方向控制信号B2则另处理4、运算器模块中的进位触发器CY（74LS74），它的接数条件仅是CP当CP电平正跳时CY接收其D端数据：可以用“与”门实现 CP=/（Mi*） 或者用“或”门实现 CP=Mi+/ 若采用式，则Mi为“1”有效；若采用式，则Mi为“0”有效；具体控制信号设计如下表(表1-1)表1-1微操作控制信号及其实现方法指令助记符微操作控制信号控制信号有效性MOV Ai #data(PC)-IAB-OAB(M)-ODB-IDB-Ri(PC)+1-PCPCO,B1RC,B2,B3,WR,A,BP+1,CK0,0
