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1、计算机组成原理课程设计任务书班级：学号：姓名：成绩：电子与信息工程学院计算机科学系目录一、设计题目1二、模型机功能概述1三、总体设计23.1模型机结构：23.2微程序控制电路33.3指令译码器电路5四、详细设计64.1数据格式：64.2指令格式：64.3指令系统74.4设计微代码8五、实验代码： 10六、实验步骤：126.1实验连线：126.2写微代码：126.3读微代码与校验微代码：146.4写机器指令146.5读机器指令与校验机器指令： 156.6运行程序15七、测试源程序与结果分析16八、认识体会17九、参考文献17复杂模型机设计计算机组成原理课程设计计算机组成原理课程设计报告书一、设计
2、题目复杂模型机设计二、模型机功能概述以EL-JY-II计算机组成原理教学实验系统为平台，根据模型机的结构，与内部的指令译码电 路、微指令译码电路与微指令格式等设计一套指令系统，指令系统中包括传送类指令、算术运算指 令、逻辑运算指令、输入/输出与转移指令；寻址方式包括寄存器寻址、直接寻址与立即寻址等。设 计机器指令格式以与微程序，按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序，装载代码到 EL-JY-II实验系统中并运行。系统采用“基板+扩展板（CPU板）”形式；系统公共部分如数据输入/输出和显示、单片机控 制、与PC机通讯等电路放置在基板上，微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放置
3、在扩展板上。此模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。1. 运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，与三个 通用寄存器Ax，Bx，Cx等组成。2. 控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、时序电路、控制存储器与相应的译码电 路组成。3. 存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。4. 输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。三、总体设计3.1模型机结构:图1中运算器ALU由U7U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成， 暂存器2由U5、U6两片7
4、4LS273构成。微控器部分控存由U13U15三片2816构成。除此之外， CPU的其它部分都由EP1K10集成(其原理见系统介绍部分)。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H FFH。输出设备由底板上的四个LED数码管与其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时 将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关与两个三态缓冲芯片 74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数 据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用
5、。暂存器LT1| I暂存器LT2图中所有控制信号I微晶卜1脉冲源及时序I指令寄存器CPULUFLl f4- HUEW程序计数器ILEDBO-GLR1E1-CLR2R2-GLOiLM SL SOI地批耳存器II地址住线(AHHFLEUS)-存储器611Gl CEWEW/R输出诙备LEC图1模型机结构框图复杂模型机设计计算机组成原理课程设计3.2微程序控制电路微程序控制电路电路中，由三片2816作为24位微程序存储器，EP1K10产生控制逻辑。开关 K1、K2、K3的不同组合控制微程序的读、写和运行，六个黄色LED为微地址指示灯。微控器原理 如下图（除2816、74LS245和74LS374夕卜，
6、其余芯片功能均由EP1K10实现。不详之处请查阅EP1K10 的源程序）。以微程序的运行为例：在T2时刻，将MS24-MS1的24位微程序打入微指令寄存器， 然后由译码电路对MS24-MS7进行译码，产生地址寄存器、指令寄存器等等电路的控制信号。MS6 MS1指示下一个微地址，在T3时刻，由机器指令译码器产生的强制微地址信号对MS6MS1微 地址的某几位强行置位，形成下一个微地址输出。微控器的外部接口有：uAJ1、LDRO1、LDRO2、 ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS、AO1、BO1、WEO、WEI、LARI。在读、写微程 序时，uAJ1 用于从外部输入微地址；
7、LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS 为运算器电路的控制信号，只要将它们接至运算器电路相应的接口上（STATUS接S3S1MCN）就 能实现微程序对运算器的控制。AO1、BO1通常接至底板I/O控制电路的1A1B上，用于外部I/O 设备的选通控制。WEO为微控器的读写输出，WEI为外部读写控制电路的输入，控制总线上的WR 为外部读写控制电路的输出，其控制电路为：图2控制电路通常将WEO与WEI相连，实现微程序对外部读写的控制。LARI为地址控制器的输入，以下另作介绍。除此以外其他控制信号都已接至相应的控制电路。韵瓦猝世昵座.卤芒号寸-I5M寸.5
8、.IS才wfm胃1vzm点址Ti-sp一芫泛无#伸冲11.1叶口HIa及A d irS 咨戋Sj 主!DIF W SV ilr WSVFf 时 tr IV Pro mS建 I rM凶EE疝如wqlorrwmCCTM-m-uo-a。.L A- HEDsclEKIMWla?=rrrsNjJAfAm扒 miada777-137-JeillH二而ML:rjT匕而?=二气9苦la件疑 miadaf -f-II-Fzlflri!:二胃1UKVKIVqta汩汩M汩史io 挣磴TE EWlK 相出芯KI!:-3wiDjjP矛aj五?I史 ildw 1L h_5Jv复杂模型机设计计算机组成原理课程设计3.3指令
9、译码器电路指令译码器电路由EP1K10实现，其原理如下图所示。其中P1、P2、P3、P4、LRi、RAG、RBG、 RCG为微程序译码产生的控制信号，T3为时钟，I710为指令寄存器的输出IR，CA1、CA2为机 器指令的读、写、运行的控制端，已分别接至控制总线的E4和E5。SA4SA0为强制微地址信号， 输出至微控制器电路；LDR2LDR0输出至寄存器堆电路的LR，R0B、R1B、R2B输出至寄存器 堆电路的RG。i-w Wq iWaY 二MHau_rO- pm图3-2微控制器电路、详细设计4.1数据格式:本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下:151413.0符号
10、尾数其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768WXidr mu BITSP BUS1111rd-D_BUS H BV3=LT1idFD_BlT3E EV5=Lnhil-D_EB5JU JU3-/LI1i ril-DJVSJ DU3?L7rd- B每Er.3- ree.X 01r宾】34l&z 65a?hir=- Mi &侧D EV=Lr：2r=-D_BU J BVS-LT2LT1FE BUS-zds-D_Bu= Ii/LTl-D.EUS-j3_ | 27 ijr-ii_i：irs：-td儿01rd-LEUDiLT LLTD LT-LTZ-B_DIJS-Jd I ElTE-rd65 LT
11、JL7E- D BUS- tdOLsrE -HdsreEHOY ODO?77JNP （L0.：iI 4D4 4L1 f +2r= -11 BUSKiM-D EUS H_EVS-i-dU.JTD_EiLI5 r_DiT3-rcQ图2的微程序流程控制开关五、实验代码:按程序流程图译出适合本实验系统所有机器指令的微代码，加深对较完整的模型机的认识。这里提供以下实验程序：地址（二进制）0000 00000000 0001指令（二进制）0100 10000000 0101助记符IN Ax, KINMOV Bx, 01H说明“开关输入”Ax01H*Bx0000 00100000 00110000 0100
12、0000 00011001 01001111 0000ADD Ax，BxROL Ax*Ax+Bx AxAx I40000 01011101 0000NOT Ax取反0000 01100010 0101MOV Bx,01H直接寻址0000 01110000 00010000 10001000 0010MOV Cx, AxAx* Cx0000 10010100 0110OUT DISP, CxCx * LED0000 10100000 1000JMP 00H00HPC0000 10110000 0000其中MOV、JMP为双字长（32位），其余为单字长指令。对于双字长指令，第一字为操作码，第一字为
13、操作数;对于单字长指令只有操作码，没有操作数。上述所有指令的操作码均为低8位有效，高八位默认为0。而操作数8位和16位均可。KIN和DISP分别为本系统专用输入、输出设备。表3为根据本实验程序流程图设计的二进制微代码表:表3二进制微代码表微地址S3S2S1 S0 M CN WE 1A 1BF1F2F3UA5-UA00000000000000001111111100010000000010010110110100001000001000000001011011111111110100011001011111111001010001110000000101011111111001010010000
14、010110110100101000100100101101101001100001010000000010100111111111011001011001111111110000010011001110011111111110001000000101101101100101010010001011011010001110100110010110110100011001010100000010111101011100000101011111000111111000001011000000000001110000010110010010000011110101001101000100000111
15、101100011011001000001111100100111000010000011111001101110100100000111110110011110001110001111101110111110000000011111100110000000000011011110011100000110000100000001000011111100000110001010010110101010101110110010110111001011001111010111011011011111100011100111101011101111110011110100011111010000010
16、000000001111111001000000001001011110101100000001111000001000101001111011010110000000000011110000010000000111100000100010010111110101000000011110000010000000111100000100100000011111011111100000000110111000001000100000111110111111010000001101110000010000011011110011110010001111111101110011110010010000
17、00010110111000010000六、实验步骤:单片机键盘操作方式实验。在进行单片机键盘控制实验时，必须把K4开关置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。6.1实验连线:实验连线图如图8-3所示。连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排 座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。6.2写微代码：(1) 将开关K1K2K3K4拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序 控制电路，K4在24位微代码输入与显示电路上。(2) 在监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态下按
18、【实验选择】键，显示ES-_ _】输入08 或8,按【确认】键，显示为【ES08】，再按下【确认】键。复杂模型机设计计算机组成原理课程设计监控显示为【CtL1=_】，输入1显示【CtL1_1】，按【确认】。（4）监控显示【U-Addr】，此时输入【000000】6位二进制数表示的微地址，然后按【确认】键，监控指示灯显示【U_CodE】，显示这时输入微代码【007F88】，注意输入微代码的顺序，先右后左。按【确认】键则显示【PULSE，按【单步】完成一条微代码的输入。（5）监控重新显示【U-Addr】提示输入表4第二条微代码地址。按照上面的方法输入表4微代码，观 察微代码与微地址显示灯的对应关系
19、（注意输入微代码的顺序是由右至左）。表4微代码表微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）00000000007F8801000001005B4202000010016FFD06000110015FE507000111015FE510001000005B4A11001001005B4C12001010014FFB13001011007FC11400110001CFFC20010000005B6522010010005B4723010011005B462501010102F5C127010111018FC1300110000001C1310110010041EA320110100041E
20、C330110110041F2340111000041F3350111010041F6360111103071F7370111113001F9复杂模型机设计计算机组成原理课程设计401000000379C141100001010FC142100010011F4145100101007F20521010100029EB531010119403C1541011000029ED551011013003C1621100100003C1631100110025F565110101B803C1661101100C03C167110111207DF870111000000DC171111001107DFA7
21、2111010000DC17311101106F3C874111100FF73C975111101016E106.3读微代码与校验微代码:（3）先将开关K1K2K3K4拨到读状态即K1 off、K2 off、K3 on、K4。按【RESET】按钮对单片 机复位，使监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】状态。 按【实验选择】键，显示【ES-_】输入08或8,按【确认】键，显示【ES08】。再按【确认】。 监控显示【CtL1=_】时，输入2,按【确认】显示【U_Addr】，此时输入6位二进制微地址， 进入读代码状态。再按【确认】显示【PULSE】，此时按【单步】键，显示【U_Addr】，微
22、地址指示 灯显示输入的微地址，微代码显示电路上显示该地址对应的微代码，至此完成一条微指令的读过程。（6）对照表3表检查微代码是否有错误，如有错误，可按步骤2重新输入微代码。6.4写机器指令（1）先将K1K2K3K4拨到运行状态即K1 on、K2 off、K3 on、K4。按【RESET】按钮对单片机 复位，使监控指示灯滚动显示【C LASS SELECt】状态。（2）按【实验选择】键，显示【ES-_ _】输入08或8,按【确认】键，显示【ES08】，再按【确 认】。（3）监控显示【CtL1=_】，按【取消】键，监控指示灯显示【CtL2=_】，输入1显示【CtL2_1】表 示进入对机器指令操作状
23、态，此时拨动CLR清零开关（在控制开关电路上，注意对应的JUI应短接） 对地址寄存器、指令寄存器清零。确定清零后，按【确认】显示闪烁【PULSE】。连续按【单步】键，当微地址显示灯显示“001100”时，按【确认】键，监控指示灯显示【data】，提示输入机器指 令“48”或“0048”（两位或4位十六进制数），输入后按【确认】，显示【PULSE，再按【单步】， 微地址显示灯显示“111100”，数据总线显示灯显示“01000”至此完成第一条机器指令。（4）再连续按【单步】，微地址显示灯显示“001100”时，按【确认】输入第二条机器指令。依此 规律逐条输入表5的机器指令，输完后，可连续按【取消
24、】或【RESET】键退出写机器指令状态。表5机器指令表地址（十六进制）机器指令（十六进制）0000480100050200010300940400F00500D00600050700820800460900080A00006.5读机器指令与校验机器指令：在监控指示灯显示【CtL2=_】状态下，输入2，显示【CtL2_2】，表示进入读机器指令状态，按 步骤4的方法拨动CLR开关对地址寄存器和指令寄存器进行清零，然后按【确认】键，显示【？。1$】， 连续按【单步】键，微地址显示灯显示从“000000”开始，然后按“001000”、“001010”、“111011” 方式循环显示。当微地址灯再次显示
25、为“001000”时，输出显示数码管上显示写入的机器指令。读 的过程注意微地址显示灯，地址显示灯和数据总线指示灯的对应关系。如果发现机器指令有误，则 需重新输入机器指令。注意：机器指令存放在RAM里，掉电丢失，故断电后需重新输入。6.6运行程序在监控指示灯显示【CtL2=_】状态下，输入3,显示【CtL2_3】，表示进入运行机器指令状态， 按步骤4的方法拨动CLR开关对地址寄存器和指令寄存器进行清零，使程序入口地址为00H，可以 【单步】运行程序也可以【全速】运行，运行过程中提示输入相应的量，运行结束后从输出显示电 路上观察结果。图6-1电路连接图七、测试源程序与结果分析（1）开始执行地址为0
26、0H的指令，即IN Ax,KIN。结果：从键盘输入1111H。（2）执行地址为01H的指令，即MOV Bx,01H。结果：Bx = 0001H。（3）执行地址为03H的指令，即ADD Ax，Bx。结果：Ax = 1112H。（4）执行地址为04H的指令，即ROL Ax。结果：Ax = 2224H。（5）执行地址为05H的指令，即NOT Ax。结果：Ax = DDDBH。（6）执行地址为06H的指令，即MOV BX,01H。结果：Bx = 05H。（7）执行地址为08H的指令，即MOV CX,AX。结果：Cx = DDDBH。（8）执行地址为09H的指令，即OUT DISP,Cx。结果：显示Cx
27、。（9）执行地址为0AH和0BH的指令，使程序跳转到地址为00H处，使程序可以循环执行。 通过实验测试，输入1111H时，输出DDDBH。验证了结果的正确性。八、认识体会整个设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很 大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论 性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而 且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的 过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于教材管理系统，其程序是比较简单的，主要 是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻 辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是 用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的 问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合， 二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论 上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。九、参考文献1. 唐朔飞.计算机组成原理（第二版）.北京：高等教育出版社，2008.12. 计算机组成原理实验系统实验指导书
