计算机组成原理课程设计:基本模型机及利用64M×8位设计128M×16位存储器.doc
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武汉理工大学《计算机组成原理)》课程设计说明书
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
软件工程
指导教师:
田小华工作单位:
计算机科学与技术学院
题目:
基本模型机及利用64M×8位设计128M×16位存储器
初始条件:
1.完成<<计算机组成原理>>课程教学与实验
2.TD-CMA计算机组成原理教学实验系统
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1.掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点
2.熟悉TD-CMA教学实验系统的微指令格式
3.设计五条机器指令,并编写对应的微程序
4.在TDN-CMA教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果
5.建立复杂指令系统计算机的整机概念模型
时间安排:
1.第19周周1(6月23日):
全体集中讲解课程设计原理与方法
2.第19周6月25日:
实验,调试机器指令程序
指导教师签名:
2014年6月18日
系主任(或责任教师)签名:
2014年月日
目录
1课程设计目的 3
2课程设计设备 3
3课程设计内容 3
3.1课程设计原理 4
3.1.1机器指令微程序 4
3.1.2微指令格式 5
3.1.3数据通路图 5
3.1.4微程序流程图 6
3.1.5微指令二进制微代码表 7
3.1.6机器指令程序 7
3.2实验步骤 8
3.2.1按图接线 8
3.2.2写入和校验 9
3.2.3运行程序 10
4课程设计总结 12
4.1程序运行截图 12
4.1.1初始截图 12
4.1.2结果截图 13
4.2课程设计收获 14
4.2.1课设心得 14
4.2.2课设经验教训 14
4.2.3课设注意事项 14
附:
利用64M×8位设计128M×16位存储器 15
基本模型计算机设计
1课程设计目的
掌握计算机功能模块的原理和关系,建立计算机整机概念
2课程设计设备
TDN-CM+计算机组成原理实验系统,排线若干
3课程设计内容
本次课程设计实现一个简单的CPU,由此构建一个简单模型计算机。
CPU由ALU、微控制器(MC)、通用寄存器(R0),指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)和地址寄存器(AR)组成,如下图所示。
该CPU在写入相应的微指令后,就具备执行机器指令的功能。
在CPU基础上,增加一个主存和基本的输入输出部件,构成一个简单的模型计算机。
3.1课程设计原理
3.1.1机器指令微程序
本次课程设计采用IN,ADD,OUT,JMP等机器指令:
机器指令
S3S2S1S0MCnWEA9A8
A
B
C
UA5UA4UA3UA2UA1UA0
IN
000000011
000
000
100
010000
ADD
000000011
110
110
110
000010
OUT
000000011
010
001
000
000110
JMP
000000001
110
000
000
011110
具体代码如下:
地址内容助记符说明
0000000000100000;START:
INR0学号→R0
0000000100000000;ADDR0,R0R0+R0→R0
0000001000110000;OUTR0R0→LED
0000001111100000;JMPSTART跳转至00地址
0000010000000000;
0000010101010000;HLT停机
指令码中高4位位操作码,JMP为双字节指令,其余为单字节指令。
微控制器实验的指令是手动给出的,现在要求CPU自动从存储器读取机器指令并执行。
3.1.2微指令格式
课程设计在微控制器实验的基础上,增加了PC、AR和主存,在微指令中应增加相应的控制位,其微指令格式见表5-1-1。
3.1.3数据通路图
根据以上设计要求,相关的数据通路图见图5-1-3。
3.1.4微程序流程图
系统涉及到的微程序流程图,详见图5-1-4。
当拟定“取指”微指令时,该微指令的判别测试字段为P<1>测试。
指令译码原理见图3-2-3所示,由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令,因此P<1>的测试结果出现多路分支。
本机使用指令寄存器的高6位(IR7-IR2)作为测试条件,出现5路分支,占用5个固定微地址,微程序流程图上的单元地址均为16进制编码的地址。
3.1.5微指令二进制微代码表
当全部微程序设计完毕,应将每条微指令代码化,见表5-1-2。
表5-1-2二进制表微代码表
地址
十六进制内容
高五位
S3S2S1S0
A字段
B字段
C字段
MA5~MA0
00Q
000001
00000
0000
000
000
000
000001
01Q
006D43
00000
0000
110
110
101
000011
03Q
107070
00010
0000
111
000
001
110000
04Q
002405
00000
0000
010
010
000
000101
05Q
04B201
00000
1001
011
001
000
000001
1DQ
105141
00010
0000
101
000
101
000001
30Q
001404
00000
0000
001
010
000
000100
32Q
183001
00011
0000
011
000
000
000001
33Q
280401
00101
0000
000
010
000
000001
35Q
000035
00000
0000
000
000
000
110101
3CQ
006D5D
00000
0000
110
110
101
011101
3.1.6机器指令程序
设计一段机器指令程序:
从IN单元读入自己的学号,存放于R0,将R0和R0相加,结
果存于R0,再将R0的值送到OUT单元显示。
机器指令程序如下,地址和内容均为二进制:
地址内容助记符说明
0000000000100000;START:
INR0学号→R0
0000000100000000;ADDR0,R0R0+R0→R0
0000001000110000;OUTR0R0→LED
0000001111100000;JMPSTART跳转至00地址
0000010000000000;
0000010101010000;HLT停机
3.2实验步骤
3.2.1按图接线
3.2.2写入和校验
3.2.2.1手动写入和校验
⑴手动写入微程序
①将开关KK1置为“停止”,KK3置“编程”,KK4置“控存”,KK5置为“置数”挡;
②使用CON单元的SD5~SD0给出微地址,IN单元给出低8位应写入的数据,连续两次按动开关ST,将IN单元的数据写到该单元的低8位;
③开关KK5置为“加1”挡;
④IN单元给出中8位应写入的数据,连续两次按动开关ST,将IN单元的数据写到该单元的中8位;IN单元给出高8位应写入的数据,连续两次按动开关ST,将IN单元的数据写到该单元的高8位;
⑤重复①、②、③、④四步,将表5-1-2的微代码写入EPROM2816芯片
⑵手动校验微程序
①将KK1置为“停止”,KK3置为“校验”,KK4置为“控存”,KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD05~SD00给出微地址,连续两次按动开关ST,MC单元的数据指示灯M7~M0显示该单元的低8位;
③将开关KK5置为“加1”挡;
④连续两次按动开关ST,MC单元的数据指示灯M15~M8显示该单元的中8位;MC单元的数据指示灯M23~M16显示该单元的高8位;
⑤重复①、②、③、④四步,完成对微代码的校验。
⑶手动写入机器指令程序
①将KK1置为“停止”,KK3置为“编程”,KK4置为“主存”,KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD05~SD00给出地址,IN单元给出该单元应写入的数据,连续两次按动开关ST,将IN单元的数据写到该存储器单元;
③开关KK5置为“加1”挡;
④IN单元给出下一个地址(地址自动加1)应写入的数据,连续两次按动开关ST,将IN单元的数据写到该存储器单元中;然后地址会又加1,只需在IN单元输入后续地址(地址自动加1)应写入的数据,连续两次按动开关ST,即可完成对该单元的写入。
⑤亦可①、②两步,将所有机器指令写入主存芯片中。
⑷手动校验机器指令程序
①将KK1置为“停止”,KK3置为“校验”,KK4置为“主存”,KK5置为“置数”
②使用CON单元的SD07~SD00给出地址,连续两次按动开关ST,CPU内总线的数据指示灯D7~D0显示该单元的数据;
③开关KK5置为“加1”挡;
④连续两次按动开关ST,地址自动加1,CPU内总线的数据指示灯D7~D0显示该单元的数据;此后每两次按动开关ST,地址自动加1,CPU内总线的数据指示灯D7~D0显示该单元的数据,继续进行该操作,直至完成校验。
3.2.2.2联机写入和校验
联机软件提供微程序和机器指令程序下载功能,但是微程序和机器指令程序在下载时有规定的格式,详见实验指导书。
选择联机软件的“[转储]—[装载]”功能,在打开文件对话框中选择相关文件,软件自动将机器指令程序和微程序写入指定单元。
选择联机软件的“[转储]—[刷新指令区]”功能,,可以读出下位机所有的机器指令和微指令,并在指令区显示。
对照文件检查微程序和机器指令程序是否正确。
3.2.3运行程序
3.2.3.1本机运行
将开关KK1、KK3置为“运行”档,按动CON单元的总清开关CLR,将使PC、AR和微程序地址为00H,程序可以从头开始运行,暂存器A,B,指令寄存器IR和OUT单元也会被清零。
将KK2置为“单步”档,每按动一次ST按钮,即可单步运行一条微指令,对照微程序流程图,观察微地址显示灯是否和流程一致。
每运行完一条微指令,观察一次CPU内总线和地址总线,对照数据通路图,分析总线上的数据是否正确;结果正确后请截取屏幕并保留屏幕文件,作为结果放到课程设计报告中。
当模型机执行完JMP指令后,检查OUT单元显示的数据是否为OUT单元值的2倍;按下CON单元的总清开关CLR,将IN单元的数据改变为学号的2倍,再次执行机器指令程序,从OUT单元显示的数据判断程序执行是否正确,结果正确后请再次截取屏幕并保留屏幕文件,作为结果放到课程设计报告中,方便比较结果。
3.2.3.2联机运行
将KK1、KK3置为“运行”档,进入软件界面,选择菜单命令“[实验]—[简单模型机]”,打开简单模型机数据通路图。
按动CON单元的总清开关CLR,然后通过软件运行程序,选择相应的功能命令,即可联机运行、监控、调试程序,当模型机执行完JMP指令后,检查OUT单元显示的数据是否为OUT单元值的2倍。
在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程,并观察软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。
4课程设计总结
4.1程序运行截图
4.1.1初始截图
输入C6,保存屏幕文件如下。
4.1.2结果截图
OUT单元显示的数据为8C,截图如下。
4.2课程设计收获
4.2.1课设心得
本次课程设计,我在存储器架构如何用64M×8位设计128M×16位存储器中花费了不少时间。
而基本模型机实验,通过观察模型机上的操作流向来检查错误收获较大,模型机能比较准确的看出自己出错的地方。
通过修改以及同学的帮助指导下得到正确结果。
在此次课程设计中,很多计算机组成原理的知识在实际中得到运用,对计算机组成原理的很多内容有了一个直观和更深刻的认识,自身理论知识和动手能力得到很大提升,有很大收获。
4.2.2课设经验教训
基本模型机实验接线完毕后,合同组同学进行了联机运行:
在运行时,出现无法将R0的数据传送到OUT单元的问题。
考虑到应该是接线存在问题,经过认真核对实验图并进行仔细排查后,发现有一根线连接漏接了。
改正接线错误后,重新模拟运行,写入情况良好,一切运行正确,得到正确运行结果B2H。
我由此深深体会到实验连线的重要性。
4.2.3课设注意事项
在实验线过程中,要注意把线插好,既要把相应的接口对应好,又要保证不漏插。
附:
利用64M×8位设计128M×16位存储器
DRAM芯片所需的主内存为:
128×16/(64×8)=4
电路原理图如下:
15
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 计算机 组成 原理 课程设计 基本 模型 利用 64 设计 128 16 存储器
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