南通大学计算机科学与技术学院

计算机组成原理课程设计

报  告  书

设计题目  控制器的设计与调试

专业班级

学生姓名

学    号

指导老师

日    期

一、设计题目

控制器的设计与调试

二、设计目的

1、融会贯通教材各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，加深计算机工作中“时间-空间”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念。

2、学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计和调试的实践和经验。

三、设计要求

1．  微程序控制器基本原理

2．  微程序控制器总体设计

3．  地址转移逻辑

4．  微指令格式

5．  控制存储器内容设计

6．  控制器芯片

四、设计内容

1、根据给定的数据格式和指令系统，设计一台微程序控制的模型计算机。

2、根据设计图，在QUARTUS II环境下仿真调试成功。

3、在调试成功的基础上，整理出设计图纸和相关文件，包括：

（1）总框图（数据通路）；

（2）微程序控制器逻辑图；

（3）微程序流程图；

（4）微程序代码表；

（5）设计说明书；

（6）工作小结。

五、系统调试

1.设计的数据格式和指令系统：

1、数据格式

数据字规定采用定点整数补码表示法，字长8位，其中最高位为符号位，其格式如下：

2、指令格式

本实验设计使用5条机器指令，其格式与功能说明如下：

IN指令为单字长（字长为8bits）指令，其功能是将数据开关的8位数据输入到R₀寄存器。

ADD指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将R₀寄存器的内容与内存中地址为A的数相加，结果存放在R₀寄存器中。

    STA指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将R₀寄存器中的内容存储到以第二个字为地址的内存单元中。

    OUT指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线，显示之。

JMP指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址。

2.设计方法

总体设计的主要任务是选定所用器件，设计指令流和数据流的数据通路，根据指令系统的要求，总体设计的主要步骤如下：

（1）对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的占领周期与操作序列，以便确定各器件的类型和数量；

（2）设计总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所要求的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求；

（3）检查全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号；

（4）检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路，优化性能。

以上过程可以反复进行，以便得到一个较好的方案。

3.模型机的数据通路图如下：

4.CPU电路图

5.微程序控制器的逻辑图：

6.微程序流程图

                        

                       06

                      

 

7.电路图：

时序产生器的设计图：

数据通路设计图：

8.微程序代码表：

微程序指令格式及代码表

微指令长度为24位，据此可以确定控制存储器的字长也应为24位。微指令格式确定后，微程序的横向设计在于正确选择数据通路，纵向设计在于确定后继微指令地址。纵向设计的通常做法是先确定微程序分支处的微地址，因为微程序分支处需要进行判别测试，这些微地址确定后，就可以在“微地址表”中把相应的微地址单元填进去，以免后面的设计中重复使用，以致造成设计错误。

当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段应指明P(1)测试。“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，P(1)测试的结果导致微程序出现多路分支。在本模型机中，只拟设计5条机器指令，故用指令寄存器的前3位（IR7-IR5）作为测试条件，微程序可以实现8路转移，但我们只用到前5路。分支后的微地址分别定为01001B-01101B。

9.微程序电路图

10.波形图

六、设计总结与体会

通过这次课程设计，我从中学到很多重要的知识；同时也明白了很多道理。

首先，在实验前我们应该先要对我们将要做的课程设计有个充分的了解，将原理弄懂，同时也要熟悉我们课程设计所使用的软件，这对我们都是至关重要的，并且会使我们在实验时节省很多时间；然后，根据设计要求想出总体方案，知道设计所需要的器件，再根据方案进行实验。通过这次课程设计我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，将结论用于实践，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。另外在本次的课程设计中，我也学会了如何将复杂问题分解成多个简单模块，这样可以很大程度上简化整个系统的设计以及实现上的难度。我也体会到实验的重要性，它是培养我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。

    总之，在此次课程设计中，要想成功，基础知识必不可少，动手能力至关重要，边动手边学习，把知识应用于具体实践，同时又通过实践进一步巩固自己的知识。

第二篇：计算机组成原理课程设计报告 基本模型机的设计与实现

长 沙 学 院

课程设计说明书

题 目 基本模型机的设计与实现 系 (部) 计算机科学与技术 专业(班级) 08级计科、数据库三班 姓 名 周子照 学 号 2008021406 指导教师 李南樱 起止日期 20xx年12月27～20xx年1月5日

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课程设计任务书

课程名称：计算机组成原理

设计题目：（共3个课题，最多3人一组，每组任选一题）

1.基本模型机设计与实现；

2.带移位运算的模型机的设计与实现；

3.复杂模型机的设计与实现。

已知技术参数和设计要求：

内容和技术参数：

利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。设计环境为TDN－CM＋计算机组成原理教学实验系统，微机，虚拟软件。将所设计的微程序在此环境中进行调试，并给出测试思路和具体程序段。最后撰写出符合要求的课程设计说明书、完成答辩。

1.基本模型机设计与实现

指令系统至少要包括六条不同类型指令：如一条输入指令，一条减法指令,一条加法指令，一条存数指令，一条输出指令和一条无条件转移指令。

2. 带移位运算的模型机的设计与实现

在基本模型机的基础上增加左、右循环和左、右带进位循环四条指令

3. 设计不少于10条指令的指令系统。其中，包含算术逻辑指令，访问内存指令，程序控制指令，输入输出指令，停机指令。重点是要包括直接、间接、变址和相对寻址等多种寻址方式。

以上数据字长为8位，采用定点补码表示。指令字长为8的整数倍。微指令字长为24位。

具体要求：

1、确定设计目标

确定所设计计算机的功能和用途。

2、确定指令系统

确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。

3、总体结构与数据通路

总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。

综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构 2

也就不一样。

4、设计指令执行流程

数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。

5、确定微程序地址

根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。

6、微指令代码化

根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。

7、组装、调试

在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。

当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。

课程设计说明书要求：

课程设计说明书按学校统一格式撰写和装订。课程设计报告要求打印,其中的数据通路框图、微程序流程图、实验接线图用VISIO等工具软件绘制或用铅笔工工整整绘制。

（1）封面（包括：题目、所在系、班级、学号、指导教师及时间等项，可到教务处网页上下载）

（2）任务书

（3）目录

目录要层次清晰，要给出标题及页次，目录的最后一项是无序号的“参考文献”。

（4）正文

正文应按目录中编排的章节依次撰写，要求计算正确，论述清楚，文字简练通顺，插图清晰，书写整洁。文中图、表及公式应规范地绘制和书写。

正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成：

1）课程设计题目；

2）课程设计使用的实验设备；

3）课程设计步骤（包括确定所设计计算机的功能和用途、指令系统、总体结构与数据通路、设计指令执行流程、确定微程序地址、微指令代码化、组装、调试。）

4）课程设计总结（包括自己的收获与体会；遇到的问题和解决的方法等）；

（5）附录

附录1：数据通路图

附录2：微程序流程图

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附录3：实验接线图

附录4：实验程序及微程序

附录5：参考文献（资料）(格式规范参照长沙学院毕业设计(论文)撰写规范)

设计工作量：

(1)作品：设计的最终作品包括硬件和软件两个部分，要求能够演示并达到设计指标的要求。每个学生（或小组）在作品完成后，要经指导教师检查，同意拆除后方可拆卸。

(2)论文：严格按上述课程设计说明书的要求撰写和装订。每个学生一份。

成绩评定标准：

课程设计的成绩分为：优秀：、良好、中等、及格、不及格五个等级。

优秀：完成复杂模型机的设计与实现，指令系统完备有更新扩充。调试成功。文档规范齐全。 良好：完成模型机的设计与实现，指令系统指令种类丰富有一定的更新。调试成功。文档规范齐全。

中等：完成基本模型机的设计与实现，在老师指导下对指令系统有更新。调试成功。文档规范齐全。

及格：完成基本模型机的设计与实现。调试成功。文档规范齐全。

不及格：没有课程设计报告，无故缺勤，不能完成调试者不及格。

工作计划：

时间：15、16周

讲授：2课时

答疑及设计：22课时

上机调试：12课时

答辩：4课时

指导教师签名： 日期： 2010-12-10

教研室主任签名： 日期：

系主任签名： 日期：

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长沙学院课程设计鉴定表

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摘要

本次课程设计的任务是完成一个基本模型机的设计与实现。设计经过综合运用了以前所学计算机原理的知识,依照设计要求和指导,实现了一个基本的模型计算机。

本模型机实现的功能有：IN（输入）,OUT（输出），ADD（加法），SUB（减法），STA（存数），JMP（跳转）。设计进行开始,在了解微程序的基本格式, 及各个字段值的作用后, 按微指令格式参照指令流程图，设计出程序以及微程序，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码转换为联机操作时的十六进制格式文件。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址。设计的加法和减法中, 被加数和被减数都由调试人员输入, 而加数和减数都从存储器中读取. 最后上机调试，各个功能运行结果正确。

关键词: 基本模型机；机器指令；微指令

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目录

1、课程设计题目-----------------------------------------------1

2、实验设备---------------------------------------------------1

3、课程设计步骤-----------------------------------------------1

3.1、所设计计算机的功能和用途------------------------------1

3.2、指令系统----------------------------------------------2

3.3、总体结构与数据通路------------------------------------2

3.4、设计指令执行流程--------------------------------------3

3.5、微指令代码化------------------------------------------4

3.6、组装和调试----------------------------------------------5

4、课程设计总结-----------------------------------------------7

5、附录-----------------------------------------------------------------------------------8

附录1：数据通路图----------------------------------------------------------8 附录2：微程序流程图--------------------------------------------------------9 附录3：实验接线图------------------------------------------------------------10 附录4：实验程序及微程序---------------------------------------------------11 附录5：参考文献（资料）-----------------------------------12

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1、课程设计题目

基本模型机的设计与实现

2、实验设备

TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，微机，虚拟软件，排线若干。

3、实验步骤

3.1 所设计计算机的功能和用途

设计的基本模型机的指令系统至少要包括六条不同类型的指令：一条输入指令，一条减法指令,一条加法指令，一条存数指令，一条输出指令和一条无条件转移指令。

利用此模型机完成加法和减法操作。两个操作都能读入被加（减）数，从内存中读取加（减）数，运算后都能保存运算结果，并且都将结果输出。

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3.2 指令系统

本课程设计采用六条机器指令：IN（输入）,OUT（输出），ADD（二进制加法），SUB（减法），STA（存数），JMP（无条件转移）。其指令格式及说明如下表：

表1 指令系统编码

其中：IN为单字长（8位），其余为双字长指令，********为addr对应的二进制地址码。

3.3 总体结构和数据通路

总体结构的设置如下：

1、 寄存器的设置

R0、R1、R2为通用寄存器，8位；

IR为指令寄存器，8位；

PC为程序计数器，8位；

AR为地址寄存器，8位；

DR1、DR2为数据寄存器

2、 运算器的设置 ALU为运算器

数据通路可见附录1的数据通路图。

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3.4 设计指令执行流程

本课程设计设计的机器指令程序如下表：

表2 机器指令程序

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3.5 微指令代码化

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，下表即为“二进制微代码表”。

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3.6 组装和调试

本设计采用的方法是联机读/写程序。

按照规定格式，将机器指令及微指令二进制表编辑成十六进制格式文件。 打开电源，运行联机软件的CMP.EXE，根据所使用的PC微机串口选择键入1或2，测试通过后，进入主菜单，如下表：

表4 联机软件主菜单

进入主菜单后，用传送文件功能（F4_Load）将该格式文件传入实验系统。 此功能键可完成对程序存储器及控制存储器的写入。按下“F4”，系统提示输入 需装入的文件名，输入后回车，系统开始装入程序，成功后，屏幕显示“装入完成”。

装入的文件必须在当前路径，文件格式应符合全屏幕编辑的规定。若文件不在当前路径，拷贝至当前目录即可。

运行程序

①单步运行程序

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A．使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR（0→1），微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。

C．单步运行一条微指令，每按动一次START键，即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。

D．当运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。 ②连续运行程序

A．使“STATE UNIT”中的STEP开关置于“EXEC”状态，STOP开关置为“RUN”状态。

B．拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。

C．停机后，可检查存数单元（0B）结果是否正确。

③若联机运行程序时，按下“F6”进入调试界面进入DEBUG调试界面，总清开关CLR（0→1）清零后，程序首地址为00H，按相应功能键即可联机运行、调试程序。执行完一条指令后，计算机会根据指令的执行过程在屏幕上画出数据流图，有效的控制信号用高亮显示，并将下一条微指令显示在屏幕下方，可以直接地观察到指令的执行过程。

1：单步执行机器指令。一条机器指令对应一段微程序，每执行一条微指令，计算机同时显示数据流图，执行完整条机器指令后停机，此时可以再键入“F1”继续单步下一条机器指令。

2：单步微程序。每按动一次“F2”，单步执行一条微指令，同时显示数据流图。

3：连续运行。按下“F3”后，系统开始连续运行程序，同时显示数据流图。此时按下任意键可终止程序运行。注意，按任意键有可能不会立即终止程序运行，只有当一条机器指令运行完后，此命令才有效。

4：返回主菜单，按ESC键也可完成。

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4、课程设计总结

本次课程设计，在李老师的帮助和指导下，以及三个组员的积极配合，努力工作，有了一周时间基本实现了课程设计的基本要求和功能。通过紧张有序的几天的课程设计实践，不仅让我们对基本模型机原理和微程序的编辑、写入方法有了进一步的了解, 也让我们觉得自己的动手能力有了很大的提高;在课程设计中自己思考解决遇到的问题，理论知识得到实际体验，这巩深化和巩固了自己的知识结构；组员之间紧密配合工作，更加理解了团队合作精神。

本设计的难点在于测试字位P(1)、P（4）的功能，只要理解了它是怎么实现程序的顺序、分支、循环运行的，其它的步骤即可迎刃而解。

通过这次实践,使我们懂得，只要自己在每一次实践中都能仔细思考，能亲自动手，课程设计中遇到的难点都可以顺利解决。每个同学都要多操作演示,理解各个步骤的意义，只有多操作才能从中发现问题,及时解决问题,从而更好的掌握实验的基本原理。课程设计目的除工作量和设计质量之外,更重要的是认真去对待,通过设计实践对理论知识有了更深刻的认识,并从中学到书本上学不到的知识。

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5、附录

附录1：数据通路图

图1 基本模型机数据通路图

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附录2：微程序流程图

图2 基本模型机微程序流程图

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附录3：实验接线图

图3 基本模型机实验接线图

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附录4：实验程序及微程序

实验程序： $P0000 $P0110 $P0210 $P0320 $P0411 $P0530 $P0611 $P0700 $P0850 $P0910 $P0A20 $P0B12 $P0C30 $P0D12 $P0E40 $P0F00 $P1O01 $P11FF $P12FF

实验微程序： $M00018110 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004 $M0400B005 $M0501A206 $M06959A01 $M0700E019 $M08001001 $M0901ED83 $M0A01ED87 $M0B01ED8E $M0C01ED96 $M0D01ED9A $M0E00E00F $M0F00A015 $M1001ED92 $M1101ED94 $M1200A017 $M13018001 $M14002018 $M15070A01 $M1600D181 $M17070A10 $M18068A11 $M19028201 $M1A00E01B $M1B00B01C $M1C01A21D $M1D659A01

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附录5：参考文献

[1] 郭承恩，钟旭. 计算机组成原理实验指导. 长沙：长沙大学，2009.

[2] 唐朔飞. 计算机组成原理. 北京：高等教育出版社，2008.

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