计算机组成原理课程设计

目录

一、实验计算机的设计 (1)

1．整机逻辑框图设计 (1)

2．指令系统的设计 (2)

3．微操作控制部件的设计 (3)

3.1微指令编码的格式设计 (3)

3.2微操作控制信号设计 (4)

3.3微程序顺序控制方式设计 (5)

3.4微程序设计 (10)

4．设计组装实验计算机接线表 (18)

5．编写调试程序 (19)

二、实验计算机的组装 (19)

三、实验计算机的调试 (23)

1．调试前准备 (23)

2．程序调试过程 (25)

3．调试结果 (25)

参考资料 (26)

一、实验计算机的设计

1．整机逻辑框图设计

图1-1 模型机结构框图

2．指令系统的设计

指令格式：

1） 算术逻辑指令

设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：

其中OP-CODE

9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2-1 2） 访问及转移指令

设定有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

其中OP-CODE 为操作码，rd 为目的寄存器地址（LDA 、STA 指令使用）

。D 为位移量（正负均可），M 规定变址寄存器RI 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，其格式如下：

其中addr=01时，选中“数据输入电路”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选择“输出显示电路”中的数码管作为输出设备。

4） 停机指令

指令格式如下：

指令系统：

本机共有16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4条。输入输出指令2条，其他指令1条。表2-1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。

表2-1

3．微操作控制部件的设计

3.1微指令编码的格式设计

3.2微操作控制信号设计

微指令编码中前18位为操作控制字段和测试字段。uA5-uA0为6位的下地址字段微地址。

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。

S3、S2、S1、S0、M、Cn组合功能表（其中符号“+”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算）：

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”、“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。

Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三个字段的编码方案如下表。

其中微命令LDRi表示写寄存器操作。

微命令LOAD表示程序计数器PC写操作。

微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作。

微命令LDR1表示数据暂存器LT1写操作。

微命令LAR表示地址寄存器AR写操作。

微命令LDIR表示指令寄存器写操作。

微命令RAG表示源寄存器读操作。

微命令ALU-G表示运算器输出操作。

微命令RCG表示目的寄存器读操作。

微命令PC-G表示程序计数器PC读操作。

微命令LPC表示程序计数器PC选通操作。

微命令299-G表示移位寄存器读写操作。

微命令RBG表示变址寄存器读操作。

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

它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。

控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条

微指令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令……。读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个微指令周期。通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。

微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器

决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制

字段和判别测试字段的信息。

在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址的任务。

微程序控制原理图

3.3.2微程序入口地址形成方法

采用多路转移方式，根据判别测试条件，通过微地址形成电路使微程序转入相应的微地址入口。

本系统有3个判别测试位：P4判别测试位是根据指令译码输入CA1、CA2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的μA0、μA1位产生3路分支转移，使微程序分别转移到写机器

指令、读机器指令、和执行机器指令三种状态的微程序的入口。

P1判别测试位是根据指令中的前4位操作码IR7、IR6、IR5、IR4的状态为测试条件，通过

修改下地址字段微地址的μA3、μA2、μA1、μA0位产生16路分支转移，使微程序分别转移到IN

指令、ADD指令、MOV指令、OUT指令、RRC指令等16条机器指令执行阶段的微程序的入口。

P2判别测试位是根据指令中的2位操作码IR3、IR2的状态为测试条件，通过修改下地址字

段微地址的μA1、μA0位产生4路分支转移，使微程序分别转移到LDA指令、STA指令、BZC指

令和JMP指令4条机器指令执行阶段的微程序的入口。

3.3.3控存的下地址确定方法

微程序顺序控制方式也即微程序执行过程中下一条微指令地址的确定方式。常用的有两种方式：计数增量方式和“下地址场”断定方式。

计数增量方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址计数器MPC增量计数，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式的微指令格式中可以不设置“下地址场”字段，微程序存储在控存的若干个连续单元中。

“下地址场”断定方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接接受微指令中“下地址场”字段的信息，来产生下一条微指令地址。因此，采用这种方式的微指令格式中设有“下地址场”字段，一条机器指令所对应的微程序在控存中可以不连续存放。

本实验计算机的顺序控制是采用“下地址场”断定方式。无论是在微程序的顺序执行过程中，还是最后一条微指令执行结束之后进入下一条机器指令的取指过程，都是由微指令中“下地址场”字段的微地址，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接来产生下一条微指令地址。

微程序控制部件组成结构示意图如下：

微程序控制信号

3.3.4微程序在控存中的分布情况

3.4微程序设计

3.4.1写出每条指令对应的微程序流程图

(1) 输入指令IN

IN指令的微程序流程图

(2) 存数指令STA

STA指令直接寻址的微程序流程图STA指令间接寻址的微程序流程图

STA指令相对寻址的微程序流程图(3) 取数指令LDA

LDA指令直接寻址的微程序流程图LDA指令间接寻址的微程序流程图

LDA指令的微程序流程图

(4) 输出指令OUT

OUT指令的微程序流程图(5) 清零指令CLR

CLR指令的微程序流程图(6) 转移指令JMP

JMP指令的微程序流程图

3.5.2写出每段微程序中各微指令的二进制编码、16进制编码

根据指令执行流程和微指令格式，编写各指令对应的微程序中每条微指令的编码（分别写出2进制和16进制编码）

IN指令的编码

OUT指令的编码

CLR指令的编码

STA直接寻址的编码

STA间接寻址的编码

STA相对寻址的编码

JMP指令的编码

LDA直接寻址的编码

LDA间接寻址的编码

LDA相对寻址的编码

4．设计组装实验计算机接线表

5．编写调试程序

程序：

IN R0 输入数据到R0

STA R0,[0FH] 将R0中的内容存到地址0F中

IN R0 输入数据到R0

MOV R0,R1 将R0中的内容保存到R1

LDA [0FH],R2 取出地址0F中的内容到R2

ADC R1,R2 将R1与R2中的内容相加保存在R2中OUT R2 输出R2中的内容

BZC [20H] 如果Z=1，程序跳转到地址20H去执行RRC R2,R0 右移R2,结果保存在R0

JMP [30H] 跳转到地址30H

每条指令所对应的机器码（16进制编码）及在内存中的存放位置：

二、实验计算机的组装

根据各部分的组成,连线步骤如下: