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计算机组成原理

课程设计指导书

周立编著

长安大学信息工程学院计算机系
2009年8月

基本模型机的设计与实现

一、课程设计的教学目的

本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算

机各功能件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的方法，进一

步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算

机的技能。在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。

二、课程设计任务和基本要求

本课程设计以TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。

1.按给定的数据格式和指令系统，理解微程序控制器的设计原理。

2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图，按微指令格式写出微程序的微

指令代码。

3.连接逻辑电路，完成启动、测试、编程、校验和运行，并观测运行过程和

结果。

4.将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算

机。

5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。

6.通过在模型机上运行有机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令

的关系，建立计算机的整机概念，掌握计算机的控制机制。

7.按指定应用项目进行汇编指令格式及功能设计，并设计相应的机器指令代

码，按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序。在PC机上编辑机器指

令和微程序，装载代码到TDN—CM++实验系统并运行，实现应用要求。

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三、设计原理

在部件实验中，我们是人为用二进制开关来模拟一些控制信号完成数据通

路的控制。而在本课程设计中，数据通路的控制由微程序控制器来完成。计算机

从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令的序列

来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本设计的规定项目采用5条机器指令：该规定项目采用五条机器指令：IN（输

入）、ADD（二进制加法）、STA(存数)、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指

令格式如表1（前4位是操作码，后4为用于寄存器编码，注意：本设计只使用

R0而不涉及多寄存器的使用）：

表1：指令格式表
指令助记符操作码地址码功能说明
IN00000000数据开关的状态→R0
ADDA00010000xxxxxxxxR0+[A]→R0
STAA00100000xxxxxxxxR0→[A]
OUTA00110000xxxxxxxx[A]→LED
JMPA01000000xxxxxxxxA→PC

IN为单字长（8）位，含义是将数据开关的8位数据输入到R0寄存器。ADD

为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将R0寄存器的

内容与内存中以A为地址的数相加，结果放到R0。STA为双字长指令，含义是将

R0中的内容存储到以第二字A为地址的内存单元中。OUT为双字长指令，含义

是将内存中以第二字为地址的数据读出到数据总线上，由数码管进行显示。JMP

为双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。

为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，设

计了三个控制台操作微程序。

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存储器读操作（KRD）：拨动总清零开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA

置为“00”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动读操作。

存储器读操作（KWE）：拨动总清零开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA

置为“01”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写操作。

启动程序（RP）：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“1

1”时，按START微动开关，即可转入第01号“取指”微指令，启动程序运行。

这三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表2：

表2：控制台指令执行的设置
SWBSWA控制台指令
00读内存（KRD）
01写内存（KWE）
11启动程序（RP）

本设计使用的数据通路图如图1所示，微指令格式如表3所示。微指令格式

确定之后，下一步就是确定后续微指令地址。通常要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断测试。这些微地址确定之后，将分支微指令

填入相应的分支微地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误，其他位

置按一条微指令对应一个微地址随意填写。

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图1：数据通路图
表3微指令格式
242322212019181716151413121110987654321
S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCμA5μA4μA3μA2μA1μA0

A字段B字段C字段
151413选择121110选择987选择
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