XXXX大学课程设计专用纸成绩评定表课程设计任务书目录1 设计目的 (3)2 设计内容 (3)3 实验计算机的设计 (3)3.1 整机逻辑框图设计 (3)3.2 指令系统的设计 (5)3.3 微操作控制部件设计 (5)3.3.1微指令编码格式设计 (5)3.3.2 微操作控制信号设计 (6)3.4 微程序设计 (8)3.4.1 指令对应的微程序流程图 (8)3.4.2 微程序中各微指令二进制编码与16进制编码 (8)3.5 微程序顺序控制方式设计 (10)3.5.1 微程序入口地址形成方法 (10)3.5.2 控存下地址确定方法 (10)3.5.3 每段微程序在控存中的存放位置 (11)3.6 编写调试程序 (12)3.6.1 机器指令程序设计内容如下 (12)3.6.2 每条指令所对应的机器码 (12)3.6.3 程序在内存中的存放位置 (12)4 实验计算机的组装 (13)5 实验计算机的调试 (13)5.1 调试前准备 (13)5.2 程序调试过程 (14)5.3 调试结果 (15)5.4 出错和故障分析 (17)5.4.1 出错分析 (17)5.4.2 故障分析查找 (17)5.4.3 确认是否属故障 (17)5.4.4 正确判断故障原因 (18)6 心得体会 (18)7 参考文献 (19)1 设计目的1、组成一个复杂的计算机整机系统—模型机，输入程序并运行；2、了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程;3、定义几条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试.4、完成多寄存器算术减法\右移位\输入输出\转移指令实验计算机设计。

2 设计内容利用EL-JY-II型计算机组成原理实验仪提供的硬件资源，通过设计（包括整机结构设计、指令设计、微程序设计、微指令设计、调试程序设计等）、组装、调试三个步骤完成台微程序控制的简单实验计算机的研制。

完成多寄存器算术减法\右移位\输入输出\转移指令实验计算机设计。

3 实验计算机的设计3.1 整机逻辑框图设计（1）模型机是由运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备五大部分组成。

①运算器又是有299，74LS181完成控制信号功能的算逻部件，暂存器LDR1，LDR2，及三个通用寄存器，R0,R1，R2等组成。

②控制器由程序计数器PC、指令寄存器、地址寄存器、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输出设备有两位LED数码管和W/R控制完成的。

（2）计算机由基板和CPU板两部分组成：①基板：本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分：数据输入输出、显示及监控，脉冲源及时序电路，数据和地址总线，外设控制电路，单片机控制电路和键盘操作部分，与PC机通讯的接口，主存器和电源，CPLD实验板，自由实验区。

②CPU板：本板分为8位机和16位机两种，除数据字长分为8位和16位外，都包括以下部分：微程序控制器，运算器，寄存器堆，程序计数器，指令寄存器，指令译码电路，地址寄存器，数据，地址和控制总线。

运算器部分：由算术逻辑单元ALU 74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）等组成。

存储器部分：由静态存储器1片6116（2K×8）构成。

其数据线D0~D7接到数据总线，地址线A0~A7由地址锁存器（74LS273）给出。

黄色地址显示灯MA7-MA0与地址总线相连，显示地址总线的内容。

数据经三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。

）图3.1 模型机结构框图3.2 指令系统的设计指令格式、指令编码、指令助记符、指令功能、操作数的寻址方式如下：表3.1 指令系统的设计框图3.3 微操作控制部件设计3.3.1微指令编码格式设计1 、数据格式设计的计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，其格式如下：图3.2 数据表示其中第7位符号位，数值表示范围是：-1≤X≤12、指令格式(1)算术逻辑指令用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址格式如下：图3.3 单字节寻址格式其中OP-CODE 为操作码，rs 为源寄存器，rd 为目的寄存器，并规定：图3.4 寄存器编码格式（2)访问及转移指令本机设计有2条指令，即存数（STA ）、取数（LDA ），2条转移指令，即无条件转移（JMP），指令格式如下：图3.5 转移指令其中OP-CODE 为操作码，rd 为目的寄存器地址。

D 为位移量，M 为寻址方式，其定义如下：表 3.2 寻址方式（3）I/O 指令输入输出指令采用单字节指令，其指令如下：图3.6 I/O 指令图其中，addr=01时，选中“数据输入电路”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“输出显示电路”中的数码管作为输出设备。

3.3.2 微操作控制信号设计首先，控制微操作需要设计三个微程序：存储器读操作（MRD ）：拨动清零开关CLR 对地址 指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1 CA2为”00”时，按”单步”键,可对RAM 连续读操作。

存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1 CA2为”10”时，按”单步”键,可对RAM连续写操作。

启动程序（RUN）：拨动清零开关CLR对地址指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1 CA2为”11”时，按”单步”键,即可转到第01号”取址”微指令，启动程序运行。

本系统设计的微指令采用水平型微指令格式，字长共24位，其控制位顺序如下：uA5-uA0为6位的后续地址，F1 F2 F3为三个译码字段，分别有三个控制位译码出多位。

F3字段包含P1- P4四个测试字位。

其功能是根据机器指令代码及相应微指令代码进行译码测试，使微程序转入相应的微地址入囗，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。

F1、F2、F3三个字段的编码方案如表4表3.4 F1,F2,F3三个字段的编码方案表其中微命令LDRi表示写寄存器操作。

微命令LOAD表示程序计数器PC写操作。

微命令LDR2表示数据暂存器LT2写操作。

微命令LDR1表示数据暂存器LT1写操作。

微命令LAR表示地址寄存器AR写操作。

微命令LDIR表示指令寄存器写操作。

3.4 微程序设计3.4.1 指令对应的微程序流程图图3.7 微程序流程图3.4.2 每段微程序中各微指令的二进制编码与16进制编码表3.5 微指令代码3.5 微程序顺序控制方式设计3.5.1 微程序入口地址形成方法采用多路转移方式，根据判别测试条件，通过微地址形成电路使微程序转入相应的微地址入口。

本系统有3个判别测试位：P4判别测试位是根据指令译码输入CA1、CA2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的A0、A1位产生3路分支转移，使微程序分别转移到写机器指令、读机器指令、和执行机器指令三种状态的微程序的入口。

P1判别测试位是根据指令中的前4位操作码IR7、IR6、IR5、IR4的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的A3、A2、A1、A0位产生16路分支转移，使微程序分别转移到IN指令、ADD指令、MOV指令、OUT指令、RRC指令等16条机器指令执行阶段的微程序的入口。

P2判别测试位是根据指令中的2位操作码IR3、IR2的状态为测试条件，通过修改下地址字段微地址的A1、A0位产生4路分支转移，使微程序分别转移到LDA指令、STA指令、BZC指令和JMP指令4条机器指令执行阶段的微程序的入口。

3.5.2 控存下地址确定方法微程序顺序控制方式也即微程序执行过程中下一条微指令地址的确定方式。

常用的有两种方式：计数增量方式和“下地址场”断定方式。

计数增量方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址计数器MPC 增量计数，来产生下一条微指令地址。

因此，采用这种方式的微指令格式中可以不设置“下地址场”字段，微程序存储在控存的若干个连续单元中。

“下地址场”断定方式是指微程序在执行过程中，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接接受微指令中“下地址场”字段的信息，来产生下一条微指令地址。

因此，采用这种方式的微指令格式中设有“下地址场”字段，一条机器指令所对应的微程序在控存中可以不连续存放。

本实验计算机的顺序控制是采用“下地址场”断定方式。

无论是在微程序的顺序执行过程中，还是最后一条微指令执行结束之后进入下一条机器指令的取指过程，都是由微指令中“下地址场”字段的微地址，通过微程序控制部件中的微地址形成电路，直接来产生下一条微指令地址。

微程序控制部件组成结构示意图如图。

指令寄存器IR图3.8 微程序控制部件组成结构示意图3.5.3 每段微程序在控存中的存放位置微程序在控存中按位地址顺序的存储在控制存储器中，其中微指令的设计顺序尤为的重要，它直接影响程序运行的正确性，及程序的运行效率。

3.6 编写调试程序3.6.1 机器指令程序设计内容如下IN #data，R0 DA T A→R0IN #data，R2 DA T A→R1SUB R0，R2 [R0]- [R2]→R2RRC R2, R0 右环移OUT R0 输出JMP 00H 跳转3.6.2 每条指令所对应的机器码3.6.3 程序在内存中的存放位置（1）IN #data ,R0提示输入数据的时候，数据被直接送入寄存器R0（2）IN #data ,R2通过寄存器寻址将寄存器R2里的内容送到寄存器R2里面。

（3）SUB R0 ,R2采用寄存器寻址将 R0,R2里的数据送到ALU运算器进行算术减操作，进位输出，结果存到寄存器R2。

（4）RRC R2 ,R0进行带进位的逻辑右移，寄存器寻址，将寄存器R2,R0里的内容送到ALU运算器，进位输出，结果存到寄存器R0。

（5）JMP [00]H跳转指令，跳到地址[00]H（6）HALT [00] H停机操作，取指结束。

4 实验计算机的组装EL-JY-II型计算机试验箱的电路设计框图，微程序控制器电路，运算器电路，程序计数器电路，寄存器堆电路，指令译码电路等的接线图如下：图4.1 单片机键盘实验接线图5 实验计算机的调试5.1 调试前准备首先，连接硬件系统，电路图如图所示。

其次，启动实验联机软件，打开实验课题菜单，选中实验课题，打开实验课题参数对话窗口。

5.2 程序调试过程[1]微指令操作：写（W）：在编辑框中输入微指令程序（格式：两位八进制微地址 + 空格 + 六位十六进制微代码），按“保存”按钮，将微程序代码保存在一给定文件(*.MSM)中；按“打开”按钮，打开已有的微程序文件，并显示在编辑框中；将实验箱上的K4K3K2K1拨到写状态即K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上，然后按"写入"按钮，微程序写入控制存储器电路。