计算机组成原理课程设计

xxxx大学xxxxxx学院计算机类课程实习报告课程名称：计算机组成原理实习题目：简单模型机设计姓 名：系：计算机专 业：年 级：学 号：指导教师：职 称：2011年6月 24日xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx课程实习报告结果评定评语：能够参加课程实习，认真完成任务（20分）实习报告格式符合要求，内容完整（20分）流程图、电路图正确，文字叙述正确（25分）对所学知识的理解程度及分析问题的能力（35分）成绩：指导教师签字：评定日期：2010.7.312目 录1.实习的目的和任务12.实习要求13.实习地点14.主要仪器设备（实验用的软硬件环境）15.实习内容15.1实验原理25.2连接实验线路75.3编写程序85.4 写程序/运行程序96. 问题讨论与分析117. 结束语12参考文献12简单模型机设计1. 实习的目的和任务计算机组成原理是一门理论性和实践性非常强的课程，学生仅仅通过课堂教学来获取理论知识是远远不够的，必须加强实践教学，通过亲自动手，巩固课堂知识、提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力，并从成功和失败的体验中得到锻炼，才能够掌握和运用所学到的理论知识来解决实际问题，达到学以致用的目的。除此之外，计算机组成原理课程实习为学生提供了一次学习综合运用所学知识去解决实际问题的锻炼。计算机组成原理课程实习是学生学习计算机组成原理课程期间的一个重要教学环节。通过实习总结计算机组成原理课程的学习内容：层次化设计方法、多路开关，逻辑运算部件，微程序控制的运算器设计、微程序控制的存储器设计、简单计算机的设计等内容。为将来从事专业工作打下基础，培养良好的职业道德和严谨的工作作风。2. 实习要求了解并掌握计算机组成原理设计的一般方法，具备初步的独立分析和设计能力； 通过该课程设计的学习，总结计算机组成原理课程的学习内容，层次化设计方法、多路开关，逻辑运算部件，微程序控制的运算器设计、微程序控制的存储器设计、简单计算机的设计。提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力。3. 实习地点 田家炳C404硬件实验室4. 主要仪器设备（实验用的软硬件环境）ZYE1603B计算机组成原理实验仪一台PC机一台 ZYE1603B计算机组成原理实验仪联机软件 5. 实习内容5.1 实验原理在第一部分的单元实验中，所有的控制信号是认为用开关单元产生的，但是在实际的cpu中，所有的控制信号都是由cpu自动产生的。所以在本次的实验中我们用微程序来控制，自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成。Cpu从内存中读出一条机器指令到指令执行的结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。本实验设计了五条机器指令，其指令格式如下:助记符 机器指令码 说明IN 00000000 :输入，”INPUT”设备中的开关状态-R0ADDaddr 00010000XXXXXXXX :二进制加法，R0+addr -R0STAaddr 00100000XXXXXXXX :存数，R0-addrOUTaddr 00110000XXXXXXXX :输出，addr-BUSJMPaddr 01000000XXXXXXXX :无条件转移，addr-PC机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序的执行，还必须设计一个控制台操作微程序。存储器读操作（READ）:拨动总清开关CLR后，置开关单元SWB、SWA为00时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作（WTITE）:拨动总清开关CLR后，置开关单元SWB、SWA为01时，按START微动开关，可对RAM连续手动写入。启动程序（RUN）: 拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为11时，按START微动开关，即可转入到第01号取址微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下:SWBSWA控制台命令00读内存（READ）01写内存（WRITE）11启动程序运行（RUN）根据上述要求设计的数据通路框图，如图2-1。微代码定义如表2-1所示。图2-1 基本模型机数据通路框图表2-1 基本模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDR1001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC系统涉及到的微程序流程图见图2-2，当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高4位（17-14操作码）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元，当3支微地址单元固定后，所到达的其它地方就可以将3个微地址单元随意填写。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表2-2即为将图2-2的微程序流程图按微指令格式化而成的“二进制微代码表”。 图2-2 基本模型机微程序流程图表2-2 二进制代码表微地址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本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制数码开关，作为输入设备（输入单元）:另一种是两位十六进制数LED数码符，作为输出设备（输出单元）。在输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上。只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（WE）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码管显示。5.2 编写程序1.根据该模型机的指令系统，编写一段程序。编写程序一，此程序可从输入设备取入数据，保存在内存单元08，然后从08单元送到输出设备进行显示。每次循环过程中，可以使输入设备数据改变，考察输出显示的结果。 设计机器指令程序如下 地址 内容 助记符 说明 00 00 IN ：输入开关数据 R0 01 20 STA08H ：R0 08 02 08 ：地址 03 30 OUT08H ：08H BUS 04 08 ：地址 05 40 JMP00H ：00H PC 06 00 ：跳转地址 编写程序二，本程序从输入设备读入数据，与0A单元的数据相加，然后送到输出设备进行显示。设计机器指令如下： 地址 内容 助记符 说明 00 00 IN ：输入开关数据 R0 01 10 ADD0AH ：R0 + 0AH R0 02 0A ：地址 03 20 STA0BH :R0 0B 04 0B ：地址 05 30 OUT0BH ：0BH BUS 06 0B ：地址 07 40 JMP00H ：00H PC 08 00 ：跳转地址 0A 01 :加数，可自定 0B ：求和结果保存在0B单元5.3按图2-3连接实验线路SWASWITCH LDAR LOAD LDPC PC_G ADDR ALU_G S3 CN LDDR1 LDDR2 JD1D0D7ALU LDIR I0I7IR SE1 SE6 P1 P4 SWA SWBI0I7LOG CE WE A0A7D0D7MEM R0_G LDR0 D0D7REG SW_G INPUT LED_G WE OUTPUTD0D7 ALU_G LDAR LOAD S3 LDPC PC_G CN LDDR1 LDDR2 Y1 WE SE1 SE6 P1 P4 LDIR Y0 RS_GY2 LDRI WE MICRO TS1 TS2 TS3 TS4 CLOCK T1 T2 T3 T4 CKDBABDBDBDBIRSIGNALSWBLOG图2-3 基本模型机实验连接线图5.4写程序/运行程序联机读/写程序按照规定格式，将机器指令即微指令二进制表编辑成十六进制的规定格式文件。微指令格式中的微指令代码将表中的24位微代码按从左到右分成3个8位，将此三个8位二进制代码化为相应的十六进制即可。使用联机软件的文件装载将实验程序和微程序下载到实验箱中，并用软件的读出功能进行检查。 联机运行程序首先使各个开关的状态为：控制台单元中的SP03开关设置为“STEP”状态，SP04开关设置为“RUN”状态；控制台单元的开关SP05处于“NORM”状态，SP06处于“RUN”状态；开关单元的开关SWB、SWA为“11”。使单元开关的总清开关CLR（1 0 1）清零后，程序首址为00H。通过联机软件进入调试界面，可以通过调试程序的操作界面控制程序的运行，同时观察运行过程和结果。参考程序一的机器指令:$P0000 $P0120 $P0208 $P0330 $P0408 $P0540$P0600参考程序二的机器指令:$P0000 $P0110$P020A $P0320$P040B $P0530$P060B $P0740$P0800 $P0A01微程序:$M00018110 $M0101ED82 $M0200C048$M0300E004 $M0400B005 $M0501A206$M06959A01 $M0700E00D $M08001001$M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M0D028201 $M0E00E00F$M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94$M1200A017 $M13018001 $M1400A018$M15070A01 $M1600D181 $M17070A10$M18068A116. 问题讨论与分析、程序一：计算机进行取指令：把程序计数器中PC的地址送到地址寄存器AR中，PC+1；将内存中的指令送到指令寄存器IR中。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。执行指令：本程序从输入设备输入R0的值43(IN)；存数，将PC中的地址送到AR中，PC自动加1，把R0的值送到08单元，通过数据总线放入中，把R0中的地址通过BUS送到内存中。输出显示，将PC中的地址送到AR中，PC自动加1，将内存中08单元的地址通过BUS送到AR中，到内存中取AR所对应的数值送到数据缓冲寄存器DR1，把DR1的数据送到LED数码管中；跳转指令JMP，将PC中的地址送到AR中，PC自动加1，跳转到下一个要执行的指令中。数据地址寄存器AR是用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中单元的地址。、程序二：计算机进行取指令：把程序计数器中PC的地址送到得知寄存器AR中，PC自动加1；将内存中的指令送到指令寄存器IR中。执行指令：输入开关数据，把43输入到R0中（IN）；进行二进制相加，把PC中的地址送到AR中，PC自动加1，将内存中的43的地址通过BUS送到中，将内存中指定的数据通过送到DR2中，再将R0的值赋给DR1，将DR1和DR2中的值进行二进制相加，值赋给R0；存数，把PC的地址送到AR中，PC自动加1，把R0的值送到0A单元，通过数据总线放入中，把R0中的值通过BUS送到内存中。输出显示，将PC中的地址送到AR中，PC自动加1，将内存中0A单元的地址通过BUS送到AR中，到内存中取所对应的数值送到数据缓冲寄存器DR1，把DR1的数据送到LED数码管中；跳转指令JMP，将PC中的地址送到AR中，PC自动加1，跳转到下一个要执行的指令中。CPU每取一条指令并执行这条指令都要完成一系列的操作，这一系列操作所需要的时间通常叫做一个指令周期。指令周期包括取值周期和执行指令阶段（执行周期）。7. 结束语通过这次的计算机组成原理的课程实习，使我对计算机组成原理的基本知识有了更深刻的理解，计算机组成原理是计算机专业当中的一门核心课程，通过计算机组成原理学习不仅使我对计算机的内部运行情况有了大概的理解，也使我知道实践是学习计算机组成原理的不二法门，只有通过实践才能使你对计算机组成原理有了更深刻的理解，也使你对那些复杂的知识点记得更牢。在计算机组成原理的实习过程中虽然有很多的不理解，也碰到过很多的困难，但通过仔细的研究和对老师的请教，不仅使我顺利的完成了实习实验，也使我获得了计算机组成原理这宝贵的经验，提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力，在失败和成功中不断体验和探索，将掌握到得所学的知识用于实际的问题中来。参考文献1 白中英，计算机组成原理（第三版网络版），科学出版社，2002.2 白中英，杨春武，计算机组成原理题解、题库、实验（第三版），科学出版社，2002.3 白中英，杨春武，冯一兵，计算机硬件基础实验教程，清华大学出版社，2005.4 白中英，杨旭东，并行机系结构（第二版网络版），科学出版社，2006.