计算机组成原理一台模型计算机的设计

计算机构成原理课程设计……一台模型计算机的设计

一、教学目的、任务与实验设备教学目的

1.融会贯穿本课程各章节日勺内容，通过知识日勺综合运用,加深对1计算机系统各模块的工作原理及互相联系的结识，加深计算机工作中“时I间一空间”概念日勺理解，从而清晰地建立计算机日勺整机概念学习设计和调试计算机的基本环节和措施，提高使用软件仿真工2具和集成电路的基本技能培养科学研究的独立工作能力，获得工程设计与组装调试时实践和经3验设计与调试任务

2.按给定时数据格式和指令系统，在所提供的器件范畴内，设计一台1微程序控制的模型计算机⑵根据设计图纸，在平台上进行仿真，并下载到教MAX+PLUS EL学实验箱上进行调试成功在调试成功日勺基础上，整顿出设计图纸和其他文献涉及

①总3框图数据通路图;

②微程序控制器逻辑图；

②微程序流程图；

④微程序代码表;

⑤元件排列图或程序清单；

⑥设计阐明书;

⑦调试小结VHD实验设备

2.机一台1PC教学实验箱2EL脚在右下角这种排列有助于设立电源线与地线规整日勺布线不仅对调试维修带来以便，也可以保证线路可靠地工作，任何马马虎虎的接线将会给调试带来难以想象日勺后果，因此在布线前必须对布线质量予以高度注重分调试

2.按功能模块进行分调是实现总调的前提和基础，由于只有各功能模块工作正常后，才干保证全机时对时运营为此必须一步一种脚印、精心做好分调试，切不可赶急图快，以免在未做好分调的状况下进入总调，而最后又不得不返回头来重新分调分调日勺重点放在时序产生器和微程序控制器上.总调3当各模块分调正常后，可将控制器发出的控制信号线接到相应的功能部件中去，转入全机总调试总调日勺第一步，事实上是检查所有微程序流程图措施是用单步方式读出并执行微指令进行的顺序是:先执行控制台指令的微程序流程图，然后执行机器指令的微程序流程图当所有微程序流程图检查完毕后，如果存储器和运算器功能执行对时，就算总调第一步完毕第二步是在内存中装入涉及有所有指令系统的一段程序和有关数据，进一步可采用单指令方式或持续方式执行，以验证机器执行指令时对附性第三步是编写一段表演程序，令机器运营第四步是运营指引教师给出日勺验收程序如果通过，就算大功告成配套软件

（3）MAX+PLUS II

二、数据格式和指令系统本模型机是一种位定点二进制计算机，具有四个通用寄存器:8R能执行条指令，主存容量为〜R3,11256K Bo数据格式

1.数据按规定采用定点补码表达法,字长为位，其中最高位第位为87符号位，小数点位置定在符号位背面,其格式如下76543210尾数JT P数值相对于十进制数的表达范畴为-X1—2—7指令格式及功能

2.由于本模型机机器字只有位二进制长度，故使用单字长指令和双字长8指令1L DRRi,D格式7432100000Ri不用D（）R i4-M D功能2STR Ri,D格式743210Ri功能:M D+Ri3ADD Ri,R j格式7432100010Ri Rj功能Ri-Ri+Rj⑷SUB RLR j格式743200011Ri Rj功能R i—Ri—Rj格式010Ri R j0745AND Ri,R j功能:R i+Ri ARj6OR Ri,Rj格式74321001011~~Ri~~~Rj功能:Ri+Ri VRj7MU LRi,Rj格式7432100110Ri Rj功能Ri—Ri xRj⑻转移指令格式743210011条件不用1D功能条件码无条件转移00PC-D10成果为转移PC-D011成果为负转移9IN R-Mj有进位转移1000Ri格式其中为设备地址，可以指定四种外围设备，当尸时,M jM01选中实验箱的二进制代码开关功能:Ri+M j，10OUT Ri Mj格式743210100RiMj0当时，选中实验箱时显示灯功能M j=10M0-R,停机指令11HALT格式7432100不用不用100功能用于实现停机

三、总体设计总体设计日勺重要任务是选定中所使用日勺产要器件；1CPU根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计指令流的数据通路；2根据指令系统、选用的器件和设计指标，设计数据流的数据通路3计算机的工作过程，实质上是不同的数据流在控制信号作用下在限定的数据通路中进行传送数据通路不同，指令所通过的操作过程也不同,机器日勺构造也就不一样，因此数据通路的设计是至关重要日勺所谓数据通路的设计，也就是拟定机器各逻辑部件相对位置的总框So数据远路的设计，目前还没有非常原则的措施重要是根据设计者的经验，并参照既有机器的三种典型形式单总线、双总线或三总线构造，根据指令系统日勺规定，可采用试探措施来完毕其重要环节如下对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的指令周期与操作1序列，以便决定各器件的类型和数量构成一种总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步2拟定数据通路，使得由指令系统所包涵的数据通路都能实现，并满足技术指标的规定检查所有指令周期的操作序列，拟定所需要的控制点和控制信号3检查所设计的数据通路，尽量减少成本，简化线路4以上过程可以反复进行，以便得到一种较好的方案图给出了一种没有考虑乘法除法指令操作的总框图参照方案，注意，1在此方案拟定之后，应当检查所选用日勺各个器件与否满足数据通路的规定事实上，数据通路的设计与器件曰勺选择应同步进行而不能分离地工作另一方面，接入总线的器件都要有三态输出,以便与总线连接止匕外，在信息传送过程中应当注意器件原码和反码输出的配合关系图所示口勺方案采用单总线构造,使用日勺许多器件都是三态输出,这1种方案便于总线日勺连接和扩展，但缺陷是指令和数据的传送都要通过总线，因此对总线日勺使用权就要分派得当此外，执行算术逻辑指令时，先将第一种操作数由通用寄存器送至缓冲寄存器「然后再由通用寄存器Ri DRRj取第二个操作数送至缓冲寄存器之后送往进行运算显然，执行2,ALUDR一条算术逻辑指令的时间相应要长某些I、微程序控制器数据通路框图一旦拟定，指令流与数据流的通路也就随之最后拟定，因而运算器和控制器的大部分构造也就拟定下来了图中各功能器件上还标注了控制点及其控制信号.这些控制信1号就是微程序控制器进行设计的根据微指令格式

1.微指令格式建议采用水平型微指令，微命令编码采用直接表达法和分段直接译码法相结合曰勺混合表达法，以缩短微指令长度后继地址采用断定方式微指令格式如下控制字段鉴别字段下址字段同窗们应根据本模型日勺具体状况来拟定各字段的长度微程序控制器

2.根据微指令和微程序曰勺长度，拟定控制存储器需选用几片EPROMf2）用位扩展方式构成716微程序设计

3.将机器日勺所有指令系统采用微指令序列实现的过程，叫做微程序设计一条机器指令相应一种微程序条机器指令应当相应个微程序,1111微指令格式拟定后,微程序的横向设计在于对日勺地选择数据通路,纵向设计在于拟定后继微指令地址.事实上，微程序设计的核心在于纵向设计，即如何拟定下一条微指令日勺地址一般的做法是先拟定微程序分支处时微地址，由于微程序分支处需要进行鉴别测试这些微地址拟定后来，就可以在一种“微地址表”中把相应的微地址单元填进去，以免背面的设计中反复使用而未发现,以致导致设计错误

五、输入输出输入输出是人机联系日勺重要手段，输入可采用开关、键盘等方式，输出可采用字符显示或打印输出等方式考虑到成本与设备因素，本模型机采用最简朴的二进制开关输入和发光二极管显示日勺措施，换句话说，本模型机中只使用两种“外部设备”一种是二进制代码开关,它作为输入设备;另一种是发光二极管，它作为输出设备本设计为了节省器件，输入输出时可以不设立专门的数据缓冲寄存器例如输入时，二进制开关数据直接通过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也就不变输出时，将输出数据送到数据总线上，驱B US动发光二极管进行显示如果采用正规日勺输入输出措施，可采用相应的器件构成接口电路

六、组装与调试元器件的布局与连接

1.由图看出，数据通路一旦拟定之后，在调试过程中将会很少有变化1因此从组装和调试的角度来看，模型机总框图可划分为如下三个相对独立的功能模块运算器、存储器和系统总线1时序产生器2微程序控制器3本模型机所使用的器件较多，布线的工作量相称大，但愿同窗们认真、细致地工作元器件布局的一般原则是尽心能地按功能电路相对集中，这样做的好处是各器件之间的连线较短，同步也便于组装和调试.为了安装和调试检查以便，集成电路应当以相似方向排列一般总是把集成电路片的定位缺口向左,此时它的电源脚在左上角，接地。