计算机组成原理课程设计报告控制器综合设计实验（推荐）由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“微机课程设计实验报告”。
计算机组成原理 课程设计报告
题目：控制器综合设计实验
学院： 姓名： 学号： 同组人： 完成日期：
一、需求分析
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、程序设计内容
（1）分析所设计系统中各功能模块的工作原理；
选用合适的器件（芯片）； 提出系统的设计方案；
（2）根据系统流程图，编写程序与微程序并调试通过
记录运行情况
对所设计电路进行调试。
将ADD指令做适当的修改操作并调试通过
对原理图进行相应的修改，实现带移位的运算的模型机。
二、结构设计
[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）
用于存储实验中的机器指令。
[8] 输入输出单元（INPUT/OUTPUT DEVICE）
输入单元使用八个拨动开关作为输入设备，SW-B控制选通信号。输出单元将输入数据置入锁存器后由两个数码管显示其值。
*该CPU数据结构通路框图如下：
微指令译码电路如下：
图中MS24—MS16对应于微指令的第24—16位，S3S2S1S0MCn为运算器的方式控制，详见实验一和实验二；WE为外部器件的读写信号，‘1’表示写，‘0’表示读；1A、1B用于选通外部器件，通常接至底板IO控制电路的1A1B端，四个输出Y0Y1Y2Y3接外部器件的片选端。
图5—3中MS15—MS13对应于微指令中的F1，经锁存译码后产生6个输出信号：LRi、LDR1、LDR2、LDIR、LOAD、LAR。其中LDR1、LDR2为运算器的两个锁存控制（见实验一）；LDIR为指令寄存器的锁存控制（见系统介绍中指令寄存器电路）；LRi为寄存器堆的写控制，它与指令寄存器的第0位和第1位共同决定对哪个寄存器进行写操作（见系统介绍中寄存器堆电路和图5-4）；LOAD为程序计数器的置数控制，LAR为地址寄存器的锁存控制（见系统介绍中程序计数器和地址寄存器电路）。以上6个输出信号均为‘1’有效。
图5—3中MS12—MS10对应于微指令中的F2，经锁存译码后产生6个输出信号：RAG、RBG、RCG、299-G、ALU-G、PC-G。其中RAG、RBG、RCG分别为寄存器Ax、Bx、Cx的输出控制（见系统介绍中寄存器堆电路）；299-G为移位寄存器的输出控制（见实验二）；ALU-G为运算器的输出控制（见实验一）；PC-G为程序计数器的输出控制（见系统介绍中程序计数器和地址寄存器电路）。以上信号均为‘0’有效。
图5—3中MS9—MS9对应于微指令中的F3，经锁存译码后产生6个输出信号：P1、P2、P3、P4、AR、LPC。其中P1、P2、P3、P4位测试字，其功能是对机器指令进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支和循环运行（见实验4的图4-1（b）和图5-4）；AR为运算器的进位输出控制（见实验一）；LPC为程序计数器的时钟控制（见系统介绍中程序计数器电路）。以上信号均为‘1’有效。
三、系统工作原理描述
1.数据通路
2.指令系统的设计及格式
实验设备的数据通路与图2-5-1 相同,微指令格式见表2-5-2 微指令格式，可根据自己的需要设计指令系统。
系统可以支持三种指令格式。机器指令格式
一、格式二与实验5 相同，这里介绍格式三：二字节指令,第一字节为操作码,第二字节D 为操作数
其中，OP-CODE 为操作码，Rs 为源寄存器，Rd 为目的寄存器，在无操作数 时,第0～3 位无意义。并规定：
按照实验3 中所介绍过的机器指令格式
一、格式二本实验设备最多可以
设计16 条指令，如果考虑各种寻址方式，系统功能就太低了。为了增加系统 功能，本实验台还提供了第二操作码进行二次译码，这样源寄存器和目的寄 存器都有指令的1，0 位决定（此时使用源寄存器总线数据应选择Rd,即
CBA=101）。这样给大家的微程序编程提供了更多的想象空间。为了易于编程 我们推荐下列格式：
其中，OP-CODE 为操作码，Rd（Rs）为目的（源）寄存器。M 为寻址 模式(第4 位和第7 位为这类指令的特征字)，具体寻址方式可自行定义，建 议定义如下：
IN：单字节（8 位）指令。其含义是将数据开关上的8 位数据输入到目的寄存器 R0 中；
MOV：双字节传送指令。其含义是将源地址指出的内容传送到目的地址指出的单元（或寄存器）中，其中①MOV R1，#XXH：地址单元01 和02 中的指令含 义是将指令的第二字节作为操作数传送到目的寄存器R1 中。②MOV addr，R1： 地址单元04 和05 中的指令含是将源寄存器R1 的内容传送到指令的第二字节所指 出的目的地址单元中；
ADD：单字节指令。其含义是将目的寄存器R1 的内容与源寄存器R0 的内容 相加，结果存入目的寄存器R1；
OUT：双字节指令。其含义是将内存中以第二字为地址的单元内容通过数据 总线送至LED 显示；
JMP：双字节指令。其含义为执行这条指令时，将指令第二字节的内容装入 程序计数器（PC）。3.微程序及微程序流程
微程序控制器首先在给出的微地址为00H 中读出
微指令，然后给出下一条微指令地址01H。微指令地址01H、02H 这两条微指令 均为公用微指令，机器指令的取指就是从这里开始的。微地址为01H 的微指令执 行的是PC→AR（要执行指令的地址送到地址寄存器AR）及PC+1（PC 指向下一 条机器指令或机器指令的下一字节）微指令，同时给出下一条微指令地址02H。微地址02H 中微指令执行的是（AR）→IR（把AR 所指RAM 中的指令送到IR 寄 存器），同时给出判别信号P(1)及微指令基地址(10H)。下一条微地址将根据P（1）的测试结果得出，即：下一条微地址=基地址(10H)∨指令寄存器（IR）中的高4 位。在产生下一条微指令地址时,由于指令中IR7、IR6、IR5、IR4 不同，所产生的 下一条微指令地址也不同。在IR7、IR6、IR5、IR4 为00(即：NOP 机器指令)时，执行10H 的微指令，而10H（NOP）这条微指令的功能只是给出了微指令的下地 址01。每一条机器指令对应微程序的最后一条微指令后续地址一定是01H。接下来 重新执行微指令地址为01H、02H 的公共微指令，取出下一条机器指令的操作 码，再根据P（1）的测试结果得出下一条微指令的微地址，┅┅。
四、外接口定义
实验仪器：
Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台：Dais-CMH+计算机组成原理教学实验系统采用内、外总线结构，按开放式的要求设计了各关联的单元实验电路，创造了按键式操作环境，实验方式灵活多样。在系统监控的管理下向用户提供“L”（单元手动）、“H”（单元自动）、“M”（模型机）三种工作方式；自带虚拟PC逻辑示波器、逻辑笔等测试工具，Windows、DOS及LED多个操作平台自由选择，可自成一体独立运行，亦可配合先进的动态跟踪集成软件，凭借PC资源形成强大的在线调试与图形示意系统。
实验用扁平线导线若干：用于连接电脑与Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统。导线若干：用于Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统各组件之间的连接。电脑一台：显示“指令系统窗口”。
微指令格式：微指令字长32 位，各位对应控制功能如下：
其中：AR 为算术运算是否影响进位及判零标志控制位：UA5-UA0 为6 位后续微地址：A 字段和B1、B2 字段为译码字段，A 字段中的RS-B、RD-B 分别为源寄存器、目的寄存器及变 址寄存器的选通信号，它的功能是根据机器指令来选通三个工作寄存器R0、R1、R2，如图3 －3 所示，图中I0-I3 为指令寄存器的第0-3 位。LDR1 为打入工作寄存器信号的译码器使能
控制位。
B 字段中P（1）、P（2）、P（3）三个测试字位，其功能是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。其原 理如图3－4。图中I7-I2 为指令寄存器第7-2 位输出，SE5-SE0 为微控器单元微地址锁存器 的置“1”控制端，参看图3－2。
图3－3 A 字段译码器的部分功能 图3－4 B 字段的功能
五、系统详细设计
程序设计基本原理
图3－1 时序电路原理图
实验所用的时序电路原理如图3—1 所示，可产生4 个等间隔的时序信号T1-T4 其
中Ф 为时钟信号，由位于实验装置右上方的方波信号源提供。学生可根据实验自行选择方 波信号的频率。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器 CR，使T1-T4 信号输出可控。图中STEP(单步)、STOP(停机)分别由位于实验装置中部管CPU 的两个PIO 口控制。启动信号START 由“单步”、“连续”二运行命令键产生。当按动“连续”
命令键时管理CPU 令STEP=0(EXEC)，运行触发器CR 一直处于”1”状态，因此时序信号T1 —T4 将周而复始地发送出去。当按动”单步”命令键时管理CPU 令STEP=I(STEP)，机器便 处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU 周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只 读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外当机器连续运行时，如果按动“暂停”命令键管理CPU，则令STOP=1，也会使机器停机。
用复杂模型机方式设计并完成给定指令的微程序。MOV R0，IMM MOV R1，[10H] ADD R0，R1 JCZ L1 ；相对寻址 MOV [11H]，R0 L1: HLT
微控器实验原理图
六、主要参考文献
《计算机组成原理》 高等教育出版社 唐朔飞著
《计算机组成原理与系统结构实验指导书》中国计量学院信息工程分院 徐展翼 程林滨著
