计算机组成原理课程设计——CPU与简单模型机设计

一、设计目的

1、掌握一个简单CPU的组成原理。

2、在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。

3、掌握微程序控制器设计。

二、设计任务与要求      

• 设计任务：

用所学知识，设计并构造一台简单模型机。验证指导书所给出的五条指令的模型机实验。在此基础上，新设计五条机器指令。画出指令流程图，编写相应的微程序和机器语言调试程序，并上机调试通过。掌握整机概念。

• 设计要求：

1.验证实验测试通过。接线完成。形成调试程序和微程序文本文件。联机写入和校验，并联机执行。为后边设计打下基础。

2.设计LDI指令并测试通过。包括指令格式、代码。指令流程图。微程序。调试程序。主要成果形成TEST1.TXT文件。

3.设计ADD指令并测试通过。要求同上。

4.设计AND指令并测试通过。同上。

5.设计 RL指令并测试通过。同上。

6.设计LAD指令并测试通过。同上。

三、设计方案

1、设计思路

第一步：按照机器指令的功能设计微程序指令流程图

第二步：按照微指令来设计微程序

第三步：将微程序写入后联机运行

2、使用的I/O设备

二进制数码开关，作为输入设备（IN），两位十六进制LED数码管，作为输出设备（OUT）。

3、使用的功能模块

CPU 由运算器(ALU)、微程序控制器(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。

 4、功能模块的作用

（1）ALU作用：处理各种算术运算和逻辑运算。

（2）微程序控制器作用：基本任务是完成当前指令的翻译和执行。

（3）通用寄存器作用：可用于传送和暂存数据，也可参与算数逻辑运算并保存运算结果。

（4）程序计数器作用：用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。

（5）地址寄存器作用：在移位脉冲作用下，存储在集萃器中的数据能逐位向左或向右的功能，可用来寄存数码，实现数据的串行——并行的转换、数值的运算及数据处理等功能。

四、连线图设计 

五、验证实验

1、包括五条指令的验证：IN(输入)、ADD(二进制加法)、OUT(输出)、JUMP(无条件转移)、HLT(停机)。

 

其中JUMP为双字节指令，其余均为单字节指令，其中********为addr所对应的二进制地址码。

2、根据要求设计微程序流程图。

其微指令格式如表5-1-1：

1. 3.将每条微指令代码化将程序流程图按照指令格式转化成相应的“二进制代码表”
   
2. 4.从 IN 单元读入数据送 R0 R0和自身相加，结果送R0 R0的值送OUT单元显示 

根据要求得到以下程序。

地址         内容          助记符              说明

00000000   00100000 ;    START: IN R0     从IN单元读入数据送至R0

00000001   00000000 ;    ADD  R0,R0        RO与自身相加送至R0

00000010   00110000 ;   OUT R0               R0值送至OUT单元显示

00000011   11100000 ;   JMP START            跳转至00H地址

00000100   00000000 ;

00000101   01010000 ;    HLT 停机

1. 5.具体操作步骤

(1)采用联机写入校验:微程序和机器程序得以指定的格式写入到以 TXT 为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下:

机器指令格式说明: $P XX XX

   $P :  机器指令代码

    XX : 十六进制地址

    XX : 机器指令标志

微指令格式说明: $M XX XXXXXX

     $M :微指令代码

XX:十六进制地址

XXXXXX:微指令标志

(2)TEST0.txt文件：

; //*************************************** //

; // //

; // CPU 与简单模型机实验指令文件 //

; // //

; // By TangDu CO.,LTD //

; // //

; //*************************************** //

; //****** Start Of Main Memory Data ****** //

$P 00 20 ;  START: IN R0 从 IN 单元读入数据送 R0

$P 01 00 ;  ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送 R0

$P 02 30 ;  OUT R0 R0 的值送 OUT 单元显示

$P 03 E0 ;  JMP START 跳转至 00H 地址

$P 04 00 ;

$P 05 50 ;  HLT 停机

; //******* End Of Main Memory Data ******* //

; //**** Start Of MicroController Data **** //

$M 00 000001 ;  NOP

$M 01 006D43 ;  PC->AR,PC 加 1

$M 03 107070 ;  MEM->IR, P<1>

$M 04 002405 ;  R0->B

$M 05 04B201 ;  A 加 B->R0

$M 1D 105141 ;  MEM->PC

$M 30 001404 ;  R0->A

$M 32 183001 ;  IN->R0

$M 33 280401 ;  R0->OUT

$M 35 000035 ;  NOP

$M 3C 006D5D ;  PC->AR,PC 加 1

; //** End Of MicroController Data **//

选择联机软件的“【转储】—【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件TEST0.txt， 软件自动将机器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】”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程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失 败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标 左键单击指令区的‘微存’TAB 按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框， 输入 6 位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。

(3)运行程序方法：联机运行

将时序与操作台单元的开关 KK1 和 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单元的总清按钮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单元显示的数是否为IN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，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

1. 功能设计

1. 1.机器指令功能说明（ADD+LDI+AND+RL+LAD）

序号	助记符	机器指令代码	十六进制代码	功能说明
0	ADD   R0，im	00000000	00H	R0<-(R0) + im
1	AND   R0，im	00010000	10H	R0<-(R0) ∧ im
2	IN   R0, K	00100000 </