計算機組成原理課程設(shè)計--研制一臺性能簡單的實驗計算機

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　課程名稱：計算機組成原理課程設(shè)計</p><p>　　設(shè)計題目： 研制一臺性能簡單的實驗計算機 </p><p>　　系 別： 計算機系 </p><p&

2、gt;　　專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù) </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.課程設(shè)計的目的1</p><p>　　1.1計算機的硬件基本組成1</p><p>　　1.2計算機中機器指令的設(shè)計1</p>

3、<p>　　1.3計算機中機器指令的執(zhí)行過程1</p><p>　　1.4微程序控制器的工作原理1</p><p>　　1.5微指令的格式設(shè)計原理1</p><p><b>　　2.設(shè)計要求1</b></p><p>　　3設(shè)計方法及過程3</p><p><b>　

4、　3.1整機設(shè)計3</b></p><p>　　3.2設(shè)計指令系統(tǒng)5</p><p>　　3.3設(shè)計微指令及指令的微程序5</p><p>　　3.3.1計算微地址5</p><p>　　3.3.2指令的執(zhí)行流程5</p><p>　　3.3.3編寫指令的微程序8</p><

5、p>　　3.4.編寫并執(zhí)行應(yīng)用程序10</p><p>　　3.4.1 手工匯編10</p><p>　　3.4.2 機器匯編10</p><p><b>　　4心得體會15</b></p><p>　　5.參考文獻：16</p><p><b>　　1.課程設(shè)計的目的&

6、lt;/b></p><p>　　1.1計算機的硬件基本組成</p><p>　　計算機分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)又分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件；硬件系統(tǒng)分為：運算器，控制器，存儲器，出入設(shè)備，輸出設(shè)備。</p><p>　　1.2計算機中機器指令的設(shè)計</p><p>　　計算機的指令格式與機器的字長、存儲器的容量及指令的功能都有很

7、大的關(guān)系。從便于程序設(shè)計、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度來看，指令中應(yīng)包含多種信息。但在有些指令中，由于部分信息可能無用，這將浪費指令所占的存儲空間，并增加了訪存次數(shù)，也許反而會影響速度。1.3計算機中機器指令的執(zhí)行過程</p><p>　　完成一條指令的功能可以分成兩個主要階段：取指和執(zhí)行。(1).取指（Fetch）――從主存儲器中取出指令代碼進入CPU。 (2).執(zhí)行（Execution）――是

8、將指令代碼翻譯成它代表的功能（被稱為譯碼）、并發(fā)出有關(guān)控制信號實現(xiàn)這個功能。1.4微程序控制器的工作原理</p><p>　　微程序控制器的工作原理：是依據(jù)讀來的機器指令的操作碼找到與之對應(yīng)的一段微程序的入口地址，并按由指令具體功能所確定的次序，逐條從控制存儲器中讀出微指令，以“驅(qū)動”計算機各功能部件正確運行。1.5微指令的格式設(shè)計原理</p><p><b>　　2.設(shè)計要

9、求</b></p><p>　　研制以臺性能如下的實驗計算機。</p><p>　?。?）沒有外部設(shè)備；</p><p>　?。?）運算器采用單累加器多寄存器結(jié)構(gòu)；</p><p>　?。?）操作數(shù)尋址方式有：立即數(shù)尋址、寄存器尋址、直接尋址；</p><p>　　（4）設(shè)計由如下指令組成的指令系統(tǒng)，其中A

10、為累加器A，RX為通用寄存器。將指令的二進制編碼填入表中；</p><p><b>　　表1 指令助記符</b></p><p>　　（5）計算各指令的微地址并寫出各指令的微程序；</p><p>　?。?）編寫匯編語言程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：將內(nèi)存某個單元的數(shù)據(jù)進行左移一位，并將結(jié)果放入00D中，進行保存；</p><p>

11、　?。?）將該應(yīng)用程序機器匯編、機器裝入、并連續(xù)運行，察看運行結(jié)果并驗證程序的正確性；</p><p>　?。?）將下列程序手工匯編、手工裝入并運行，察看運行結(jié)果。</p><p><b>　　ORG 300</b></p><p>　　START: MOV A1,#01</p><p><b>　　RLC

12、A1</b></p><p><b>　　LDA 00D</b></p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　3設(shè)計方法及過程</b></p><p><b>　　3.1整機設(shè)計</b></p><

13、;p>　　圖1 單累加器多寄存器結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.2設(shè)計指令系統(tǒng)</b></p><p>　　表2 指令的功能及編碼</p><p>　　3.3設(shè)計微指令及指令的微程序</p><p>　　3.3.1計算微地址</p><p>　　微程序入口地址形成方法：</p&

14、gt;<p>　　MD10 MD9 MD8 MD7 MD6 MD5 MD4 MD3 MD2 MD1 MD0 </p><p>　　0 0 0 0 0 I7 I6 I5 I2 1 1</p><p>　　取指微指令放在000H處。</p><p>　　3.3.2指令的執(zhí)行流程 </p>

15、<p>　　1. 直接尋址：11位操作數(shù)地址由指令第一字節(jié)低3位和第二字節(jié)8位直接給出</p><p>　　Eg: LDA ADDR ; (ADDR)--->A</p><p>　　STA ADDR ; A--->(ADDR)</p><p>　　第一字節(jié) 第二字節(jié)</p>

16、<p>　　操作碼 11位操作數(shù)</p><p>　　a10=1 ADDR為外設(shè)地址； a10=0 ADDR為內(nèi)存地址；</p><p><b>　　寄存器直接尋址</b></p><p>　　指令第一字節(jié)含寄存器選擇碼，決定選哪個寄存器并對其操作</p>&

17、lt;p>　　Eg:MOV A,RX;(RX)--->A</p><p><b>　　操作碼</b></p><p><b>　　立即數(shù)尋址</b></p><p>　　指令第二字節(jié)8位為立即數(shù)可操作的數(shù)據(jù)</p><p>　　Eg:MOV A, RX ; RX--->A<

18、;/p><p>　　MOV RX,A; A--->RX</p><p>　　第一字節(jié) 第二字節(jié)</p><p>　　操作碼及LX選擇碼 8位立即數(shù)</p><p>　　各指令的微程序中的微地址</p><p>　　表3 微指令的首地址</p><p

19、>　　樣機指令系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程</p><p>　　表4樣機指令系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程</p><p>　　3.3.3編寫指令的微程序</p><p>　　表4 指令的微地址及微指令</p><p>　　M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 </p><p>

20、;　　S0 S1 S2 S3 /CG OT LP’OB / CP’CL’OI</p><p>　　M11 M10 M09 M08 M07 M06 M05 M04 M03 M02 M01 M00</p><p>　　/CN M XI XO GI P+1 DR MLD WR’RR’RC’WC’</p><p>　　3.4.編寫并執(zhí)行應(yīng)用程序&

21、lt;/p><p><b>　　編寫匯編程序如下：</b></p><p><b>　　ORG 100</b></p><p>　　START MOV A,#01</p><p><b>　　MOV R,#02</b></p><p><b>　

22、　ADD A,R</b></p><p><b>　　STA 00A</b></p><p><b>　　END</b></p><p>　　3.4.1 手工匯編</p><p>　　(1)設(shè)計單累加器多寄存器結(jié)構(gòu)的運算器, 開關(guān)KA、KB、KC、KR分別置左、右、右、下.開關(guān)撥向IN，

23、整機實驗。</p><p>　　(2)將微程序?qū)懭肟卮妫ㄩ_關(guān)撥向CM）</p><p><b>　　表5 手工匯編 </b></p><p>　　3.4.2 機器匯編</p><p>　　FD-CES系統(tǒng)軟件是為FD-CES實驗儀與PC機相連以構(gòu)成高層次實驗系統(tǒng)用的配套軟件，它提供屏幕編輯，匯編，反匯編，調(diào)試等功能，該軟

24、件在Windows下運行?！癋D-CES計算機組成實驗儀系統(tǒng)軟件”由“FD-CES Assember”和“FD-CES Debugger”兩大功能模塊組成。 </p><p>　　點擊“FD-CES Assember” ，進入編輯環(huán)境，可編輯微指令定義文件（BIT.DEF）,指令定義文件（INS.DEF）,微程序（MOP*.MID）和匯編源程序（*.ASM）,它提供屏幕編輯，匯編，反匯編和微程序代碼的轉(zhuǎn)換功能。&

25、lt;/p><p>　　(1)微程序（文件后綴為.mid）</p><p>　　;This is an example for multi accumulator ( book page-155 ):</p><p>　　;get the first instrution</p><p>　　;000H~002H</p><p

26、><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　;SUB A,RI</b></p><p>　　;003H~006H</p><p&

27、gt;<b>　　-368EBC</b></p><p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　;ADD A,RI</b><

28、;/p><p>　　;007H~00AH</p><p><b>　　-9BAEBC</b></p><p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b></p

29、><p>　　;MOV A,#DATA</p><p>　　;013H~016H</p><p><b>　　-308FFA</b></p><p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p

30、><b>　　-</b></p><p><b>　　;MOV A,RI</b></p><p>　　;017H~01AH</p><p><b>　　-FA8EBC</b></p><p><b>　　-00876A</b></p>

31、<p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　;MOV RI,A</b></p><p>　　;01BH~01EH</p><p><b>　　-808EBF</b></p>&

32、lt;p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　;STA ADDR</b></p><p>　　;01FH~022H</p>&l

33、t;p><b>　　-00CFFA</b></p><p><b>　　-800EB6</b></p><p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　;RLC A</b

34、></p><p>　　;023H~026H</p><p><b>　　-20AFBE</b></p><p><b>　　-00876A</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>　　-</b>

35、;</p><p>　　;MOV RI,DATA</p><p>　　;027H~02AH</p><p><b>　　-008ABF</b></p><p><b>　　-008B6A</b></p><p><b>　　-</b></p>

36、<p><b>　　-</b></p><p><b>　　;HALT</b></p><p><b>　　;02BH</b></p><p><b>　　-E0089F</b></p><p><b>　　-A008AB</

37、b></p><p><b>　　;JC ADDR</b></p><p><b>　　;02FH</b></p><p><b>　　-000DBE</b></p><p>　　(2)指令定義（INS.DIF）</p><p>　　采用單累加器多

38、寄存器結(jié)構(gòu)（具體操作為在行首處鍵入“？2”）</p><p>　　;This is an example for multi accumulator ( book page-153): </p><p><b>　　?2</b></p><p><b>　　-MOV</b></p><p><

39、;b>　　2</b></p><p><b>　　A,#DATA</b></p><p><b>　　010000Ri</b></p><p><b>　　DATA</b></p><p><b>　　-MOV</b></p>

40、<p><b>　　4</b></p><p><b>　　A,Ri</b></p><p><b>　　01000100</b></p><p><b>　　DATA</b></p><p><b>　　-MOV</b>

41、;</p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　Ri,A</b></p><p><b>　　011000Ri</b></p><p><b>　　DATA</b></p><p><b>　　-S

42、TA</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　ADDR</b></p><p><b>　　01100aaa</b></p><p><b>　　a7-a0</b></p><p>&

43、lt;b>　　-RLC</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　A</b></p><p><b>　　10000000</b></p><p><b>　　-MOV</b></p>&l

44、t;p><b>　　2</b></p><p><b>　　Ri,#DATA</b></p><p><b>　　100001Ri</b></p><p><b>　　-SUB</b></p><p><b>　　4</b>&l

45、t;/p><p><b>　　A,Ri</b></p><p><b>　　000000Ri</b></p><p><b>　　-ADD</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　A,Ri&

46、lt;/b></p><p><b>　　000001Ri</b></p><p><b>　　-HALT</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　10100000</b></p><p>

47、　　（3）微指令位定義文件（BIT.DEF）</p><p>　　定義24位長的微指令的各位意義，在調(diào)試是將顯示對應(yīng)位的微操作的有效操作，高電平操作，低電平操作，或無效操作。/CN M X1 X0 S3 S2 S1 S0 OI CL CP NONE</p><p>　　CG OT LP OB GI P+1 DR MLD WC RC RR WR</p><p>　　

48、（4）源程序（.ASM）</p><p>　　定義偽指令（ORG）和 結(jié)束偽指令（END）；</p><p>　　程序中使用的數(shù)一律是十六進制；</p><p>　　匯編源程序之后將產(chǎn)生目標(biāo)文件（*.OBJ）和列表文件（*.LST），當(dāng)調(diào)試時則需將目標(biāo)文件（*.OBJ）下載至內(nèi)存；</p><p><b>　　ORG 100<

49、/b></p><p><b>　　MOV A,#01</b></p><p><b>　　MOV R,#02</b></p><p><b>　　ADD A,R</b></p><p><b>　　STA 00A</b></p>&l

50、t;p><b>　　END </b></p><p><b>　　LST文件：</b></p><p>　　0100 1 ORG 100</p><p>　　0100 FD01 2 MOV A,#01</p><p&

51、gt;　　0102 FD02 3 MOV R,#02</p><p>　　0104 C1 4 ADD A,R</p><p>　　0105 600A 5 STA 00A</p><p>　　0107 6 END

52、</p><p>　　(5) 微程序代碼生成文件（.DAT），當(dāng)調(diào)試時則需將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件（.DAT）下載至控存。</p><p><b>　　機器調(diào)試步驟：</b></p><p><b>　　1.整機框圖選擇</b></p><p>　　選擇structure 3。</p>&l

53、t;p>　　2.下載Micro Program</p><p>　　先將M/CM開關(guān)置于CM端，然后將微程序的代碼MOP.DAT從PC機下載到實驗計算機的控存中。</p><p><b>　　3．BIT.DEF</b></p><p>　　將微指令定義文件（BIT.DEF）讀入。</p><p>　　4. Prog

54、ram</p><p>　　先將M/CM開關(guān)置于M端，然后將用戶的調(diào)機程序的目標(biāo)文件（1.obj）從PC機下載到實驗計算機的內(nèi)存中，并定義其在實驗計算機內(nèi)存中的起始地址（300）。</p><p><b>　　5.實驗機運行</b></p><p>　　先將M/CM開關(guān)置于CM端，鍵入000 LOAD,然后先將M/CM開關(guān)置于M端，START

55、AT輸入起始地址（200），STEP開始單步運行程序。</p><p><b>　　4心得體會</b></p><p>　　為期一周的課程設(shè)計結(jié)束了，我收獲頗多。通過本次實驗，我更加清楚地理解了計算機硬件的基本組成，機器指令的設(shè)計，機器指令的執(zhí)行過程；微程序控制器的工作原理，微指令的格式設(shè)計原理等概念，使得在課堂中學(xué)到的理論知識得到了實踐。</p>&l

56、t;p>　　課程設(shè)計過程中，當(dāng)我遇到問題時，首先翻課本，向同學(xué)詢問，這個過程又讓我重新溫故課本上設(shè)計中用到的不熟悉的知識點，使我更深刻的理解，并加深記憶。在實驗開始時，自己設(shè)計指令系統(tǒng)，編寫微程序的環(huán)節(jié)中，由于全是0,1代碼，在有很多由于馬虎而造成的錯誤，導(dǎo)致在后來寫ASM文件時，寫內(nèi)存單元的地址時遇到不少錯誤。而后我重新返回最初設(shè)計的指令系統(tǒng)，微程序，找到錯誤加以修改，才使得程序可以運行。這個過程耽誤了很多時間，是本次設(shè)計過程中

57、比較失敗之處。</p><p>　　但是在些許失敗的同時，我得到的遠遠大于失敗。這次的課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很非常重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正完成實驗，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在整個設(shè)計過程中，構(gòu)思是很花費時間的。但是在組長的幫助下，我們在電路中遇到的關(guān)于編輯、編譯、調(diào)試、仿真中的問題都一一解決了。當(dāng)然，有時用

58、錯了方法，總是實現(xiàn)不了。同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 </p><p>　　同時，通過這次的課程設(shè)計，也讓我了解到計算機組成原理的重要性，以及它對我們專業(yè)的發(fā)展發(fā)揮的作用。對我們而言，知識上的收獲很重要，但精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學(xué)無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你

59、。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設(shè)計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！同時在做課程設(shè)計時要能夠從多方面去考慮，去研究，用多種方法去實現(xiàn)要求。此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變，這些都讓我受益非淺，今后的制作應(yīng)該能夠更輕松，自己也都能夠解決并高質(zhì)量的完成項目。</p><p>　　在設(shè)計過程認(rèn)真學(xué)習(xí)了相關(guān)的知識，極大地拓寬了我的知識面,我感到收獲不小。

60、從開始熟悉這些知識到對整體設(shè)計的了解，再從畫出整機邏輯圖、設(shè)計指令系統(tǒng)，計算微地址，編寫微程序到根據(jù)要求編寫匯編語言程序以及上機調(diào)試，整個過程感覺很充實。尤其是寫指令流程的時候，發(fā)現(xiàn)自己組成原理只是欠缺很多，有許多不懂的地方；編寫指令微程序的時候，要求必須細(xì)心對照信號有效電平，編寫01代碼，不允許出一點差錯，面對眾多的01代碼，我們不曾放棄，堅持到做出完美的設(shè)計。雖然遇到了這么多的困難，但當(dāng)我通過自己查資料，向指導(dǎo)老師請教以及與同學(xué)互討

61、論，而設(shè)計出解決方案并成功實現(xiàn)時，那種成就感和滿足感足以忘卻所有的辛苦。</p><p><b>　　5.參考文獻：</b></p><p>　　[1] 唐朔飛，[計算機組成原理]，北京：高等教育出版社，2008年,1-429頁</p><p>　　[2] 趙志英、涂時亮等，[計算機組成實驗]，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000年，1-208頁&l