【正文】 ......................................... 1 摘 要 ....................................................................................... 2 一 設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理 .................................................... 4 1 設(shè)計(jì)的目的 ............................................................. 4 2 設(shè)計(jì)的原理 ............................................................... 4 二 總體設(shè)計(jì) ........................................................................... 9 三 詳細(xì)設(shè)計(jì) ......................................................................... 12 1 運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu) ................................................ 12 2 存儲(chǔ)器的組成與說(shuō)明 ............................................ 13 3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與格式分析 ................................... 14 4 微程序控制器的邏輯機(jī)構(gòu)及功能 ........................... 24 5 微程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .............................................. 26 四 .系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告 .................................................................. 32 五 設(shè)計(jì)總結(jié) ......................................................................... 35 六 設(shè)計(jì)（論文）的主要參考文獻(xiàn) ....................................... 36 七 致謝 ............................................................................... 37 一 設(shè)計(jì)的目的及設(shè)計(jì)原理 1 設(shè)計(jì)的目的 計(jì)算機(jī)組成原理 課程設(shè)計(jì)是“計(jì)算機(jī) 組成原理”課程的后續(xù) 設(shè)計(jì)性課程，通過(guò)設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)，可 更好地理解計(jì)算機(jī)組 成原理課程的基本內(nèi)容，掌握模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，為以后進(jìn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。 最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完善所設(shè)計(jì)的模型機(jī)系統(tǒng)方案和電路圖，寫(xiě)出 設(shè)計(jì)報(bào)告。 其 中運(yùn)算器主要由運(yùn)算器 U U4（ 74LS181）、暫存器U U2（ 74LS273）、輸出緩沖器 U5（ 74LS245）、移位器（ 74LS299）以及進(jìn)位控制和判零標(biāo)志控制電路等構(gòu)成。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，成為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題，它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且直接關(guān)系到用戶(hù)的使用需要。指令從存儲(chǔ)器中得到， 送到指令寄存器中。采用半導(dǎo)體器件來(lái)存放大量的 0， 體觸發(fā)器由于有 0 和 1 兩種狀態(tài)，可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼。存儲(chǔ)器的所有 存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。其運(yùn)算規(guī)律非常簡(jiǎn)單。 控制器是計(jì)算機(jī)中發(fā)號(hào)施令的部件，它控制計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊的進(jìn)行工作。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。 ③ PC 為指令指針計(jì)數(shù)寄存器，用來(lái)存放下一條將要執(zhí)行指令的地址。 RR 為將 R0 寄存器中的內(nèi)容循環(huán)右移 1 位。 為了向 RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫(xiě)入是否 正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還設(shè)計(jì)了 3 個(gè)控制臺(tái)操作微程序。在制定設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，首先要理解所設(shè)計(jì)的模擬機(jī)各個(gè)部件的作用及功效，弄清楚他們可以干什么，怎么樣去干?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下： 實(shí)驗(yàn)儀的總體結(jié)構(gòu)框圖（圖 21） （ 1）控制信號(hào)說(shuō)明 ： 1． S3， S2， S1， S0 有微程序控制器輸出的 ALU 操作選擇信號(hào)，以控制執(zhí)行16 種算術(shù)操作或 16 種邏輯操作中的一種操作。 4． ALU－ BUS 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果是否送到總線(xiàn) BUS，低電平有效。 8． LDR 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制把總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)打入寄存器 R0。 12． LDIR 微程序控制器的輸出信號(hào)，控制把總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)（指令）輸入到指令寄存器 IR 中。邏輯運(yùn)算是指位對(duì)位的運(yùn)算。 ：存儲(chǔ)器主要由 6116 芯片及相應(yīng)的緩沖芯片和控制線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)的。 ／輸出設(shè)備：輸入由鉛筆開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，輸出由發(fā)光晶體管組成。 三 詳細(xì)設(shè)計(jì) 1 運(yùn)算器的物理結(jié)構(gòu) 運(yùn)算器模塊主要由運(yùn)算器 U3 U32（ 74LS181）、暫存器 U2 U30（ 74LS273）、輸出緩沖器 U33（ 74LS245）以及進(jìn)位控制和判零標(biāo)志控制電路等構(gòu)成。 運(yùn)算器組成原理圖（圖 31） 運(yùn)算器是在 ALU UNIT 單元電路上進(jìn)行 ，控制信號(hào)、數(shù)據(jù)、時(shí)序信號(hào)由實(shí)驗(yàn)儀的邏輯開(kāi)關(guān)電路和時(shí)序發(fā)生器提供。 S S S S0、 M、 /Cn、 LDDR LDDR BUSALU→ 信號(hào) 、 BUSSW→信號(hào)，本次實(shí)驗(yàn)中這些控制信號(hào)與對(duì)應(yīng)邏輯開(kāi)關(guān)都已接好，由邏輯開(kāi)關(guān)模擬這些控制信號(hào) 。它的地址總線(xiàn)由地址寄存器單元的地址寄存器74LS245(U37)給出，地址值由 8 個(gè) LED 燈 LAD0～ LAD7 顯示，高電平亮，低電平滅；在手動(dòng)方式下，輸入數(shù)據(jù)由 8 位數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān) KD0～ KD7 提供，并進(jìn)一三態(tài)門(mén) 74LS245（ U51）連至外部數(shù)據(jù)總線(xiàn) EXD0～ EXD7,實(shí)驗(yàn)時(shí)將外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)的 EXD0～ EXD7 用 8芯排線(xiàn)練到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn) BUSD0～ BUSD7,分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。 6264 有控制線(xiàn)： CS1 第一片選線(xiàn)， CS2 第二片選線(xiàn)， OE 讀線(xiàn)， WE 寫(xiě)線(xiàn)。 1) 算術(shù)邏輯指令 設(shè)計(jì) 4條算術(shù)運(yùn)算指令（ ADD、 SUB、 MOVE、 CLR）并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下： D7 ～ D4 D3 D2 D1 D0 OPCODE RS RD 表 32 其中， OP— CODE為操作碼， RS為源寄存器， RD為目的寄存器，并規(guī)定： RS或 RD 選定的寄存器 00 01 10 R0 R1 R2 表 33 2) 訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存指令和程序控制指令 模型機(jī)設(shè)計(jì) 訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存指令和程序控制指令 4條（ 存數(shù) STA、取數(shù) LDA、無(wú)條件轉(zhuǎn)移JMP、有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令 BZC） 。 （ 3） 預(yù)設(shè)指令： A: IN 為單字節(jié)長(zhǎng)指令，含義是將輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)放入 R0 中 指令格式： IN R0, INPUTDEVICE 指令功能： “ INPUTDEVICE” R0 B: OUT 為單字節(jié)長(zhǎng)指令，含義是根據(jù)指令提供的地址，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出由數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 D:LDA 為雙字節(jié)指令 ,含義是將內(nèi)存單元的地址存儲(chǔ)于 R0 中。 指令格式： CLR R0 指令功能： R0=0 H:MOV 是雙字節(jié)長(zhǎng)指令，第二字節(jié)是要存放的間接地址，含義是將 R0中的內(nèi)容存儲(chǔ)到第二字為間接地址的內(nèi)存單元中。 指令格式： DEC OPR 指令功能：（ OPR） 1=(OPR) L:HLT 為空轉(zhuǎn)指令，保持執(zhí)行結(jié)束狀態(tài)，并不在執(zhí)行任何操作。 指令格式：指令格式 可有單字長(zhǎng)和雙字長(zhǎng)指令兩種，在雙字長(zhǎng)格式中，第二字節(jié)一般定義為操作數(shù)或操作數(shù)地址。 A字段： 表 39 15 14 13 選擇 0 0 0 0 0 1 LDRi 0 1 0 LDDR1 0 1 1 LDDR2 1 0 0 LDIR 1 0 1 LOAD 1 1 0 LDAR LDRi：寄存器輸入選中，具體選擇同指令寄存器（ IR）的最低 2位（ I1， I0）配合，當(dāng) I1， I0=00時(shí)為輸入到 R0寄存器； I1， I0=01時(shí)為 R1； I1， I0=10時(shí)為 R2。 LOAD：總線(xiàn)數(shù)據(jù)直接裝載到 PC計(jì)數(shù)器。 RDB：為目的寄存器輸出選中。 299B：移位寄存器輸出選中?？煞?16個(gè)分支。用于控制臺(tái)控制區(qū) （讀程序，寫(xiě)程序，和運(yùn)行程序） AR： 進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)是否影響進(jìn)位和判零標(biāo)志的控制位。 4 微程序控制器的邏輯機(jī)構(gòu)及功能 （ 1）邏輯結(jié)構(gòu)： 采用微程序控制方式的控制器稱(chēng)為微程序控制器。微程序控制器由指令寄存器 IR、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、時(shí)序系統(tǒng)、控制存儲(chǔ)器 CM、微指令寄存器以及微地址形成電路。微地址 寄 存 器 和 微 命 令 寄 存 器 兩 者 的 總 長(zhǎng) 度 即 為 一 條 微 指 令 的 長(zhǎng) 度，二者合在一起稱(chēng)為微指令寄存器。 ROM的字長(zhǎng)取決于微指令長(zhǎng)度。 C微地址寄存器 ： 微地址寄存器暫存由控制存儲(chǔ)器讀出的當(dāng)前微指令的下址字段信息。 當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)通過(guò)地址轉(zhuǎn)移邏輯去修改微地址寄存器內(nèi)容，并按修改好的微地址讀出 下條微指令。 T T3時(shí)間用來(lái)控制執(zhí)行部件進(jìn)行操作。R0[0DH][40H] 0000 0010 0000 1101 0000 0011 1000 0000 RLC 0000 0100 0000 0000 IN 0000 0101 0110 0000 RRC 0000 0110 0111 0000 RL 0000 0111 0010 0000 STA[0EH] 0000 1000 0000 11110 0000 1001 0011 0000 OUT[0EH] 0000 1010 0000 1110 0000 1011 0100 0000 JMP 00H 0000 1100 0000 0001 0000 1101 0100 0000 0000 1110 。 PC 計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為 00H。 B 撥動(dòng)總清開(kāi)關(guān) ,清微地址及程序計(jì)數(shù)器 ,然后按動(dòng)“啟動(dòng)”開(kāi)關(guān) ,系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行程序 ,如果要停止程序的運(yùn)行，只需將“運(yùn)行控制”開(kāi)關(guān)置為“停止”狀態(tài)，系統(tǒng)就停機(jī)。在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程，有些很基本的知識(shí)出現(xiàn)記混淆的現(xiàn)象，通過(guò)查書(shū)及詢(xún)問(wèn)同學(xué)，最終明白了。 在此次的設(shè)計(jì)中 ， 感謝老師對(duì)我們的幫助和指導(dǎo) 。還有我身邊的同學(xué)也給了我很多的幫助在此也一并感謝。老師為我順利完成課設(shè)奠定了牢固的基礎(chǔ)， 所以在這兒我要特別感謝我的計(jì)算機(jī)組成原理的授課老師和課設(shè)指導(dǎo)老師 包仲賢老師， 除了給了我了知識(shí)基礎(chǔ)，還給了 我解決問(wèn)題的思想。 作為一個(gè)計(jì)算機(jī)系學(xué)生這是必需掌握的 ， 使我們對(duì)數(shù)據(jù)選擇器 ， 移位器 ， 加法器 ， 運(yùn)算器 ， 存儲(chǔ)器和微程序控制器 ， 有了 比較 徹 底 的認(rèn)識(shí) 。 （ 3） 調(diào)試程序可得結(jié)果如下： PC=01AR=00RAM=00 RAM=00IR=00微控器 INPUT=02R0=02 PC=02AR=01RAM=10 RAM=10IR=10微控器 PC=03AR=02RAM=0D RAM=