计算机组成课程设计.doc

第二章 课程设计
§1概述
在第三章三个分解实验的基础上，本章进行计算机整机实验。从分解实验到整机实验，其过程不是简单的连接组合，而是综合提高。要求实验者运用动态分析方法，在统一的“时空”坐标上考虑各种问题。例如，控制信息和数据信息的流向，以及和彼此之间的关系，所选用器件的瞬态特性和负载能力；工艺布线的结构和层次；调试过程的步骤和方法等。下面对课程设计的目的任务、模型机的指令系统、总体结构、微程序控制器、实验方案等方面按设计先后步骤作分析和介绍。
一、实验目的
(1)通过模型机的设计和调试连贯运用“计算机组成原理”课学到的知识，建立计算机的整机概念，加深对计算机“时空”概念的理解。
(2)学习设计和调试计算机的基本步骤和方法。提高应用集成电路的基本技能，培养和提高独立工作、分析问题和解决问题的能力。
二、实验任务
(1)按给定的数据格式和指令系统在所提供的器件范围内，设计一个具有微程序控制的计算机系统，并组装调试成功。
（2)在组装调试成功的基础上，整理出设计说明书和其他文件，包括指令系统、总体框图、整机电路逻辑图、操作流程图、操作时间表、微指令格式和微程序、元件排列图、调试过程和小结等。
三、实验模型机设计考虑的几个方面
一个机器的指令系统、硬件结构如何确定，这是一个涉及面很广的问题，它主要取决于用户对机器速度、可靠性、价格的要求。由于我们进行的教学实验的目的是进一步弄清CPU内部各部件间的相互关系，加深整机工作概念，而不是进行实际的数据处理，没有真实的受控对象，因此速度和可靠性不是重要指标，首先要考虑的是价格，即完成本实验所要花费的代价。它的上限受到下列因素的制约：
(1)所允许的实验时间(包括设计和制作)；
(2)实验器件的来源和价格；
(3)实验台的规模；
(4)实验者的基础(包括有关的理论知识和动手能力)。
实际上这便是一个可行性问题。不解决这个问题，指令系统和硬件结构搞得再完备也是徒劳的。根据我们的实际条件，本模型机采用微程序控制方式，在整个设计中作如下安排：
(1)建立实现最简功能的模型，在不花费或不多花费硬件代价的前提下，力争功能的完善。
(2)由于模型机没有速度指标，因此，采用单总线结构，这样可增加系统的灵活性，以利于实验方案的修改和功能的扩展。
(3)由于一搬的中、大规模器件所能处理的数据位数为4或8位，因此，本模型的数据通路宽度为8位，作补码传送。另外，又因为对可靠性要求很低，故存储器宽度=数据宽度＝8，不设校验位。
(4)由于控存选用EPROM2716芯片，容量较大，允许微程序松散存放，允改各指令的相同操作(例如寻址操作等)，设置多条相同的微指令，因此，可用指令代码直接修改得到相应的微程序入口地址。
(5)为减少译码电路和微指令长度，机器指令格式是经过精心安排才确定的，使机器指令码与74LS181 ALU功能相一致的控制参数S3-S0相同。同时，为减少移位控制电路，左移操作亦采用“A+A”运算模式。
§2 数据格式和指令系统
一、数据格式
7 6 5 4 3 2 1 0
符号
数 值
数据采用8位二进制定点补码表示。其中最高位（第7位)为符号位，小数点可视为最左或最右，数值相对于十进制的表示范围为：
-1≤X＜1 或 -128≤X≤ 127
二．寻址方式
指令有单字节和双字节两种。单字节指令的前四位为操作码，后四位中各用二位表示目的寄存器和源寄存器的地址，或表示寻址特征。当单数操作时，其中二位无意义。双字节指令的第一个字节为操作码。
本机共给定四种寻址方式，叙述如下：
1．立即数寻址
7 6 5 4 3 2 1 0
操作码
r 1
数 据
当操作码＝0001时，即认为本指令是双字节指令，且下一字节内容为操作数。
2．立即地址寻址
7 6 5 4 3 2 1 0
操作码

地 址
当操作码为0111、1000、110l或第一字节为01011100，00110000时，则认为下一字节内容为操作数地址。
3．寄存器直接寻址
7 6 5 4 3 2 1 0
操作码
r 1
r 2
当操作码不为前两种情况，且r1、r2均不为“11”时，认为r1、r2分别表示操作数所在寄存器地址。
其中：r1或r2的代码 所指定的奇存器
00 A
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