组成原理课程设计报告

1组成原理课程设计报告2目录目录1.引言.............................................................................................................................31.1课程设计的目的：...........................................................................................31.2课程设计的任务：...........................................................................................32LogiSim基础..............................................................................................................32.1LogiSim介绍....................................................................................................32.2LogiSim的功能与使用....................................................................................33总体设计....................................................................................................................44详细设计....................................................................................................................64.1运算器的组成及工作原理...............................................................................64.2存储器的组成及工作原理...............................................................................94.3微程序控制器的设计与实现.........................................................................105课程设计总结..........................................................................................................206参考文献..................................................................................................................2031.引言1.1课程设计的目的：运用并整合计算机组成原理与体系结构课程所学的相关知识，一步步设计构造一台功能齐全的计算机整机系统----模型机，明确计算机各个组成部分及格组成部分的工作原理，巩固和灵活运用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计和实现方法，培养学生的实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机系统的设计与开发奠定基础。1.2课程设计的任务：设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，存储器，微程序控制器，简单输入和输出，时序和启停控制等电路。定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法，画出所设计的模型机的电路原理图。在计算机组成原理与体系结构实验系统上搭建模型机系统，完成整机各个组成部分的实验调试过程，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机上输入、调试和运行程序。2LogiSim基础2.1LogiSim介绍Logisim是一个用来设计和模拟数字逻辑电路的教学工具。它带有简单的工具栏界面和内建的模拟电路，使得学习最基本的逻辑电路概念变得足够简单。从大型电路到微型电路它都能构建，只用鼠标拖曳就可来画出很多的线缆。Logisim可以用来设计和模拟以教学为目标的完整的CPU。2.2LogiSim的功能与使用1、ANDgate按钮。这时鼠标附近会出现一个与门的图标，在主电路图窗口任意位置单击鼠标以放置与门。2、InputPin按钮。在你的与门左侧放置两个输入(inputpin)。3、OnputPin按钮。在你的与门右侧放置一个输出(outputpin)。44、点击工具档中的线工具Wiretool按扭.点击并拖动，使输入针和与门的左端相连.由于只能画水平和垂直线，这可能需要几步完成.画一条水平线,放开鼠标按扭,然后从端点开始按下并垂直拖动线.可以把线连接到AND门左边的任何一个引脚(pin).重复同样的过程连接AND门的输出(右边)到LED.5、Poke，试着单击电路图中的输入。3总体设计模型机主要由运算器、控制器、存储器、数据总线、输入输出和时序产生器组成。1.运算器又是有74LS181完成控制信号功能的算逻部件,暂存器DR1,DR2,及三个通用寄存器RO,R1,R2等组成。2.控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。3.存储器RAM是通过CE和W/R两个微命令来完成数据和程序的的存放功能的。4.输入设备是由置数开关SW控制完成的。5.输出设备由两位LED数码管和W/R控制完成的。模型机的结构图如图2-1所示。图2-1模型机结构图在图2-1中T1、T2、T3和T4等控制信号都是由时序产生器生产，时序产生5器由时序电路实现如图2-2所示，时序产生器一个周期中产生四个脉冲信号T1~T4，这四个脉冲信号用于控制组件的执行顺序，组件在这些信号的控制下有序的执行，一个周期中完成一条微指令的执行。图2-2时序产生器模型机的工作过程可以归纳如下：（1）控制器把PC中的指令地址送往地址寄存器AR,并发出读命令。存储器按给定的地址读出指令，经由存储器数据寄存器MDR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。（2）指令译码器ID对指令寄存器IR中的指令进行译码，分析指令的操作性质，并由控制电路向存储器、运算器等有关部件发出指令所需要的微命令。(3)当需要由存储器向运算器提供数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往地址寄存器AR，然后向存储器发出读命令，从存储器中读出的数据经由存储器数据寄存器MDR送往运算器。(4)当需要由运算器向存储器写入数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往存储器地址寄存器AR，再将欲写的数据存入存储器数据寄存器MDR，最后向存储器发出写命令，MDR中的数据即被写入由MAR指示地址的存储单元中。(5)一条指令执行完毕后，控制器就要接着执行下一条指令。为了把下一条指令从存储器中取出，通常控制器把PC的内容加上一个数值，形成下一条指令的地址，但在遇到“转移”指令时，控制器则把“转移地址”送入PC。控制器不断重复上述过程的(1)到(5)，每重复一次，就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。4详细设计64.1运算器的组成及工作原理运算器(arithmeticunit)是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件(ALU)。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。本次8位模型机实验中，运算器是由两片74LS181芯片构成。74LS181是一个四位的ALU单元，它是由一个四位全加器以及进位电路构成。正逻辑74LS181的逻辑图3-1所示.图3-1运算器原理图74LS181运算功能发生器能进行16种算术运算和逻辑运算。功能表如下：7实验结果：84.2存储器的组成及工作原理由芯片74LS245和74LS273和6116芯片及译码器组成的RAM随机存储器，对地址总线送来的数据进行写，发出读信号时，实现读功能。存储器时计算机的记忆装置，它的功能主要是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据时计算机操作的对象。工作原理：为了更好的存放数据，存储器通常被分为许多等长的存储单元，每个单元可以存放一个适当单位的信息。全部存储单元按一定顺序编号，这个编号被称为存储单元的地址，简称地址。存储单元与地址的关系时一一对应的，应注意存储单元的地址和它里面存放的内容完全是两回事。9对存储器的操作通常称为访问存储器，访问存储器的方法有两种，一种是选定地址后向存储单元存入数据，被称为“写”：另一种是从选定的存储单元中取出数据，被称为“读”。可见，不论是读还是写，都必须给出存储单元的地址。来自地址总线的存储器地址由地址译码器译码（转换）后，找到相应的存储单元，由读/写控制电路根据相应的读写命令来确定对存储器的访问方式，完成读写操作。数据总线则用于传送写入内存或从内存取出信息。主存储器的结构框图：实验结果：104.3微程序控制器的设计与实现1、微程序控制器的设计思想：控制器在计算机中的分工是取指令、分析指令、执行指令、再取下一条指令、循环往复以完成程序设定的功能。微程序控制器的设计思想是将每一条指令用一段做程序来描述，做程序由若干条微指令组成，而每一条微指令又由若干微命令及一条微指令地址组成，每一个微命令对应于逻辑线路的一个控制操作。微程序放在控制存贮器中，取指令和分析指令属公用的微程序段，执行指令则不同指令对应不同的微程序段，到控制存储器的那个单元取微指令，其地址在uPC中，而口PC的内容则由指令码结果或上条微指令的下址字段决定，从控存取出的微指令放在微指令寄存器中。2、微指令代码、微程序流程图及操作表：本实验设计了七条指令和两条RAM读、写公用命令的微程序指令代码如下表3：3、说明：见微程序流程图，微程序控制器在清零后，总是先给出微地址为00000的微指令（启动）。读出微地址为00000的微指令时,便给出下条微地址为00001,微地址为00000及00001的两条微指令是公用微指令。微地址为00001的微指11令执行的内容是：PC（地址计数器）内容送地址寄存器，然后PC加1,同时给出下一条微指令地址00010微地址为00010的微指令在T3时序信号到来时，执行的是:把RAM中存放的数据（指令）送到IR（指令寄存器）同时给出判别信号P（1）及下一条微指令的地址01000,在“T4“有效时,根据P、IR7、IR6、IR5微改微地址01000,产生下条微指令的地址。在IR7、IR6、IR5为000（即IR无指令输入时），仍执行01000的微指令，从而可对RAM进行继续读操作。当执行完一条IR指令的全部微指令，即执行到每个微程序的最后一条微指令时均给出下一条微指令的微地址为00001，接着执行00001,00010的公共微指令，读下一条指令的内容，再由微程序控制器判别产生下一条微指令地址，以后的下一条微指令地址全部由微命令给出，直到执行完这一条指令的若干微指令，再给出下一条微指令的地址00001实验时，可通过存贮器中有关单元内容的D7、D6、D5三位来模拟指令代码（IR7、IR6、IR5）,模拟不同的指令，从而读出不同的微指令，用单拍方式，将程序的ADD（加法）、AND（与）。LDA（RAM数写人R5累加器）、STA（累加器写入RAM）、OUT（RAM输出到数据总线）、COM（取