计算机组成原理-基本模型机设计与实现.doc

课 程　设　计 课程名称： 　 计算机组成原理 　　　 　 　 　 设计题目：　　 　　 基本模型机设计与实现 　 　 　 　 　　　 　　 　　 　　　 　 　 　　 　 　 学 院: 　 信息工程与自动化 　 　 　 专 业： 　　　计算机科学与技术 　 　 　 　 年 　 级: 　 　 　 　　 　 　 　　 　　 　 　 学生姓名: 　 　 　 　 　　　　 　 　 指导教师： 　 　 王海瑞　 　 　　 　 　 　 　 日 期： 　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 教　务 处　制 课 程　设 计 任 务　书 　信息工程与自动化　　　学院　　 计算机　 专业 　 年级 学生姓名: 　 　 　 课程设计题目: 　　基本模型机设计与实现 　 　 　  课程设计主要内容: 利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想,写出要设计的指令系统的微程序．将 所设计的微程序在计算机组成原理教学实验系统环境中进行测试，并给出测试思路和具 体程序段。最后撰写出符合要求的课程设计报告。 首先要确定所设计计算机的功能和用途,设计中根据功能和用途确定指令系统，数据 的表示格式,位数,指令的编码，类型，需要设计那些指令和寻址方式.确定相对应指令所 包含的微操作以及总体结构设计之间的数据通路结构，在此基础上，就可以拟出各种信 息传输路径,以及实现这些传输所需要的微指令。 设　计 指 导 教 师　（签字）:　 　 　 　 　 教学基层组织负责人(签字）： 　　 　　 　 　 　 年　　　 　 月 　　　　 日 目　录 一、基本模型机的设计………………………………………… 4 1、 程序设计目的 ………………………………………… 4 2、 程序设计基本原理……………………………………… 4 (1)实验模型机结构 ………………………………… ４ （２)机器指令的结构和功能 …………………………… 6 (3）微指令格式 　…………………………………… 7 二、微程序设计 …………………………………………… 8 1。微程序流程图…………………………………………… ８ 2.二进制代码表……………………………………………　 10 3。线路连接图 …………………………………………… １1 4.微指令代 ……………………………………………… 12 三、总结体会……………………………………………… １3 四、参考文献……………………………………………… 14 一、基本模型机的设计 １、 程序设计目的 (１）在掌握部件单元电路实验的基础上,进一步将其组成系统构造一台基本模型 计算机。 （2)使用简单模型机和复杂模型机的部分机器指令,并编写相应的微程序,具体上 机调试掌握整机概念。 （3)掌握微程序控制器的组成原理。 (4)掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行． （5)通过课程设计,使学生将掌握的计算机组成基本理论应用于实践中，在实际操 作中加深对计算机各部件的组成和工作原理的理解，掌握微程序计算机中指令和微指 令的编码方法，深入理解机器指令在计算机中的运行过程。 2、 程序设计基本原理 （1）实验模型机结构 　　[1］ 运算器单元(AＬU UIＮT) 运算器单元由以下部分构成:两片７4LS１８1构成了并- 串型8位ＡLU;两个８位寄存器ＤR1和DR2为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算 结果。ＡLＵ的S0～S３为运算控制端，Cn为最低进位输入,Ｍ为状态控制端。ALＵ 的输出通过三态门74LS24５连到数据总线上,由ＡLU—B控制该三态门。 [2] 寄存器堆单元(REG UNIT) 该部分由3片8位寄存器R0、Ｒ１、R2组成，它们用来保存操作数用中间运算结 构等。三个寄存器的输入输出均以连入数据总线，由LDRi和ＲS—Ｂ根据机器指令进 行选通。 [３] 指令寄存器单元(IＮS UＮIT) 指令寄存器单元中指令寄存器（IＲ）构成模型机时用它作为指令译码电路的输入 ，实现程序的跳转,由LDＩＲ控制其选通。 [4］ 时序电路单元（SＴATＥ UNIT） 用于输出连续或单个方波信号，来控制机器的运行。 ［5］　微控器电路单元（MICRO－CONTROＬLEＲ UNIT) 　 微控器主要用来完成接受机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对 应的首条微代码程序,对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。由输入的W／ Ｒ信号控制微代码的输出锁存。由程序计数器(ＰＣ）和地址寄存器(AR)实现程序 的取指功能。 ［6] 逻辑译码单元（LOG UNＩT） 用来根据机器指令及相应微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实 现微程序的顺序、分支、循环运行,及工作寄存器R0、R１、R2的选通译码． [７］　主存储器单元(MAIN MEM) 用于存储实验中的 【计算机组成原理-基本模型机设计与实现】 在计算机组成原理的学习中，基本模型机设计与实现是一项重要的实践环节，旨在让学生将理论知识转化为实际操作，深入理解计算机硬件的工作原理。设计过程通常包括以下几个关键步骤： 1. **功能与用途确定**：要明确设计的计算机模型的主要功能和预期用途，这将决定指令系统的设计，包括数据的表示格式（如二进制、浮点数、符号位等）、位宽的选择以及指令集的规模和类型。 2. **指令系统设计**：根据功能需求确定指令集，包括基本算术逻辑运算指令、转移指令、加载和存储指令等，并设计相应的寻址方式，如立即寻址、直接寻址、间接寻址等。此外，还需要考虑指令编码，确保每条指令都能被唯一识别。 3. **微程序设计**：微程序是控制计算机硬件执行指令的一种手段，它将复杂的机器指令分解为一系列简单的微操作。微指令格式通常包括微操作字段、控制字段和时钟字段，用于指示控制信号的产生。 4. **数据通路设计**：设计数据在计算机内部的流动路径，包括运算器、寄存器堆、指令寄存器、时序电路等组件之间的连接。运算器负责执行计算，寄存器堆存储数据和中间结果，指令寄存器持有当前执行的指令，时序电路提供控制信号。 5. **微指令流程图**：绘制微程序的流程图，显示每条机器指令对应的微指令序列，这有助于理解微程序如何指导硬件执行指令。 6. **二进制代码表**：定义每个微操作的二进制编码，便于在实际硬件中实现。 7. **线路连接图**：设计并绘制硬件元件之间的连接图，包括逻辑门、触发器、总线等，确保信息能够正确无误地传递。 8. **微指令编写与测试**：编写微程序，然后在计算机组成原理教学实验系统中进行测试。测试包括验证指令执行的正确性、速度和效率，同时检查异常处理和错误恢复机制。 9. **课程设计报告**：整理整个设计过程，撰写详细的设计报告，记录设计思路、程序段和测试结果，以展示设计过程和学习成果。 在这个过程中，学生能够掌握微程序控制器的工作原理，理解微指令如何控制硬件执行机器指令，同时增强对计算机组成部件的理解，如运算器单元（ALU）、寄存器堆、指令寄存器、时序电路等，以及它们在计算机运行中的作用。 通过这样的课程设计，学生不仅掌握了理论知识，还能运用这些知识解决实际问题，为未来从事计算机系统设计和开发奠定了坚实的基础。