计算机组成原理课程设计报告书

沈阳理工大学课程设计专用纸1目录一．实验计算机设计..............................................................11.整机逻辑框图设计..............................................................12.指令系统的设计..................................................................33．微操作控制部件的设计....................................................74．设计组装实验计算机接线表..........................................195．编写调试程序..................................................................20二．实验计算机的组装...........................错误!未定义书签。三．实验计算机的调试........................................................201.调试前准备.........................................................................202.程序调试过程....................................................................233.程序调试结果....................................................................234.出错和故障分析................................................................23四．心得体会.........................................................................25五．参考文献.........................................................................25沈阳理工大学课程设计专用纸1题目研制一台多累加器的计算机一实验计算机设计1.整机逻辑框图设计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，及三个通用寄存器R0，R1，R2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、控制存储器及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输入设备是由置数开关SW控制完成的。5.输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的沈阳理工大学课程设计专用纸2图1整机的逻辑框图LR0LR1LR2寄存器AxBxCxR0-GR1-GR2-G数据总线（D_BUS）ALU-GALUMCNS3S2S1S0暂存器LT1暂存器LT2LDR1LDR2移位寄存器MS1S0G-299输入设备DIJ-G微控器脉冲源及时序指令寄存器LDIR图中所有控制信号LPCPC-G程序计数器LOADLAR地址寄存器存储器6116CEWE输出设备D-GW/RCPU沈阳理工大学课程设计专用纸3图1-1中运算器ALU由U7--U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存由U13--U15三片2816构成。除此之外，CPU的其他部分都由EP1K10集成。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数码管及其译码、驱动构成，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位电平开关及两个三态缓冲芯片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。本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低八位有效。2.指令系统的设计2.1数据格式数据格式：采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，格式如下：表1补码表示表7654321符号尾数沈阳理工大学课程设计专用纸4其中第7位符号位，数值表示范围是：-1≤X≤12.2指令格式：（1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：表2寻址方式76543210OP-CODErsrd其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：表3寄存器表Rs或rd选定寄存器00R001R110R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表9。（2）存储器访问及转移指令设计的2条访问指令，即存数（STA），取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP），结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式如下：表4存储器的访问表7654321000MOP-CODErdD其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D为位移量，D随M的不同其定义也不相同，寻址定义如下：沈阳理工大学课程设计专用纸5表5寻址模式表寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址01E=（D）间接寻址10E=（R1）+DR1变址寻址11E=（PC）+D相对寻址注：本机规定变址寄存器R1指定为寄存器R2。（3）I/O指令输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，格式如下表6I/O操作码表76543210OP-CODEaddrrd其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。2.3指令系统本实验共有7条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令2条。输入输出指令2条。下面列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。沈阳理工大学课程设计专用纸6表7访问及转移指令格式汇编符号指令格式功能LDAM，D，RD00M00RDDE→RSSTAM，D，RD00M01RDDRD→EJMPM，D00M1000DE→PCBZCM，D00M1100D当CY=1或Z=1时E→PC表8九条算数逻辑指令格式汇编符号指令的格式功能CLRRD011100RD0→RDMOVRS，RD1000RSRDRS→RDADCRS，RD1001RSRDRS+RD+CY→RDSBCRS，RD1010RSRDRS-RD-CY→RDINCRD1011RSRDRD+1→RDANDRS，RD1100RSRDRS∧RD→RDCOMRD1101RSRDRD→RDRRCRS，RD1110RSRDRS→RDRLCRS，RD1111RSRDRS→RDCYRSCYRS沈阳理工大学课程设计专用纸7表9输入输出指令格式汇编符号指令格式功能INADDR，RD010001RDADDR→RDOUTADDR，RD010110RDRD→ADDR停机指令指令格式如下：用于实现停机操作。停机指令名称，功能和具体的格式见下表：表10停机指令汇编符号指令格式功能HALT停机3．微操作控制部件的设计。3.1微指令编码的格式设计设计三个控制操作微程序：存储器读操作（MRD）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。76543210OP-CODE0000沈阳理工大学课程设计专用纸8存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。启动程序（RUN）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行表11本系统的微程序字长共24位，其控制顺序242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWE1A1BF1F2F3uA5uA4uA3uA2uA1uA0其中uA5-uA0为6位后续地址，F1,F2,F3为三个译码字段，分别由三个控制位译出多位，。3.2微操作控制信号设计微指令中个控制位的含义如下：S3、S2、S1、S0、M、CN是控制运算器的逻辑和算术运算的微命令。WE是写内存的微命令，状态“1”有效。1A、1B是输入电路选通、内存RAM选通、输出LED选通控制微命令，分别对应状态“11”、“10”、沈阳理工大学课程设计专用纸9“01”。状态“00”为无效。F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位经指令译码电路74138译码输出8种状态，前7种状态分别对应一组互斥性微命令中的一个，状态“111”为无效。F3字段包含P1-P4四个测试字位。其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。表12Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三个字段的编码方案F1字段F2字段F3字段151413选择121110选择987选择000LDRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011自定义011自定义011自定义100LDR1100RBG100P2沈阳理工大学课程设计专用纸10101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299-G110P4111无操作111无操作111无操作控制操作为P4测试，它以CA1、CA2作为测试条件，出现了写机器指令、读机器指令和运行机器指令3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行P1测试，根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址，这就是“译码”过程。然后才顺序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。在所有机器指令的执行过程中，“取指”和“译码”是必不可少的，而且微指令执行的操作也是相同的，这些微指令称为公用微指令。3.3微程序顺序控制方式设计3.3.1微程序控制部件组成原理[1]运算器单元（ALUUINT）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连到数据总沈阳理工大学课程设计专用纸11线上，由ALU-B控制该三态门。[2]寄存器堆单元（REGUNIT）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（INSUNIT）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（STATEUNIT）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－CONTROLLERUNIT）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