一台模型机的总体设计

哈尔滨师范大学哈尔滨师范大学 学学年年论论文文 题题目目一台模型机的设计一台模型机的设计 学学生生 指导教师指导教师 年年级级20092009 级级 专专业业计算机科学与技术计算机科学与技术 系系别别计算机科学与技术计算机科学与技术 学学院院计算机科学与信息工程学院计算机科学与信息工程学院 哈尔滨师范大学 20122012 年年月月 论论文文提提要要 计算机的发展突飞猛进，日新月异，短短 50 年中，已经历了电子管计算机、 晶体管计算机、集成电路计算机和大规模/超大规模集成电路计算机等四代的发 展历程。各代计算机的更替除主要表现在组成计算机的电子元器件的更新换代 外， 还集中表现在计算机系统结构和计算机软件技术的改进上。正是这几方面的 飞速进步，才使得计算机的功能、性能一代比一代明显提高；而体积一代比一代 明显缩小，价格一代比一代明显降低。今天，一台计算机的性价比远比第一代电 子管计算机的高出了成千上万倍。 我们掌握其中的原理设计出一台教学用的模型机是必然的趋势， 掌握其中的 原理，我们采取较简单的组成模式，以尽量简洁的设计来完成这一模型机。 一台模型机电而设计与实现 摘摘 要要自从 1946 年美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台数字电子计 算机ENIAC Electronic Numerical Integrator And Calculator以来，计算机的发 展突飞猛进，日新月异。短短 50 年中，已经历了电子管计算机、晶体管计算 机、集成电路计算机和大规模/超大规模集成电路计算机等四代的发展历程，并 自 80 年代中期起，开始了以模拟人的大脑神经网络功能为基础的第五代计算机 的研究。模型机的结构非常复杂， 如果对模型机的结果和工作原理不了解的话在 做模型机实验时将非常困难，所以在这里对模型机的结构、工作过程和控制器的 控制原理等做详细介绍，以让大家更好的进行模型机实验，从而进一步理解计算 机组成原理这门课程中的知识。 关键词模型机；微指令；控制器；寻址方式 一、模型机的结构 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，模型机的结构图如图 1-1 所示。 图 1-1 模型机结构图 运算器。 运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。在图1-1 模型机 的结构图中，ALU、ALU_G 和 74299 组成运算逻辑单元，其中ALU 是由 2 个 4 位的 74LS181 串联成 8 位的运算器， ALU_G 是 ALU-G 实现用于控制 ALU 的运 算结果的输出，74299 用 74LS299 实现用于对 ALU 的运算结果进行移位运算； 数据暂存器在图 1-1 中由 DR1 和 DR2 组成，DR1 和 DR2 都是用 74LS273 实现， 它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；通用寄存器在图 1-1 中由 R0、R1 和 R2 组成，R0、R1 和 R2 都是用 74LS374 实现，它们用作目的寄存器和源寄存 器。 控制器。 控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。在图 1-1中微程序控制器表示为MControl， 它里面存放了指令系统对应的全部微程序， 微程序控制器是由微控制存储器和 3 个 138 译码器实现 （A138、 B138 和 P138） ， 用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图 1-1 中指令寄存器表示为 IR，指令寄存器由一个 74LS273 实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1-1 中地址寄存器表示为 AR，地址寄存器由一个74LS273 实现，在读取或者写入存 储器时用于指明要读取或写入的地址；程序计数器在图 1-1 中由 PC_G 和 PC 组 成，其中 PC 是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针 pc 的下一个 值，PC_G 由 PC-G 实现，用于存储程序的程序指针 pc 的值。 存储器。 存储器在图 1-1 中表示为 MEN，存储器用静态随机存储器6116 实现，用来 存储用户程序和数据。 数据总线。 数据总线用于连接运算器、存储器、输入输出等模块，数据总线由 ccp_DataBus 实现。 输入输出。 输入输出类似于键盘和显示器。 时序产生器。 在图 1-1 中 T1、T2、T3 和 T4 等控制信号都是由时序产生器生产，时序产 生器由时序电路实现如图 1-2 所示，时序产生器一个周期中产生四个脉冲信号 T1T4，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 1-2 时序产生器 二、模型机的总体设计 （一）模型机设计概述 中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，它包括运算器与控制器两大 部分。在早期的计算机中，器件集成度低，运算器与控制器时两个相对独立的部 分，各占一至数块插件，甚至各占一至数个机柜。随着大规模、超大规模集成电 路技术的发展，逐渐趋向于CPU 作为一个整体。在微型计算机中，将CPU 集成 为一块芯片，称为微处理器。 控制器是全机的指挥系统，它是根据工作程序的指令序列、外部请求、控制 台操作，去指挥和协调全机的工作。通俗说，控制器的作用是解决全机在什么期 间、根据什么条件、发出哪些微命令、做什么事。在这个描述中提出了计算机操 作的时间条件、逻辑依据。 所以我们应该在 CPU 一级上建立整机的概念。CPU 的逻辑组成应该包括运 算器、运算控制器、存储器以及其它必要的逻辑部件，图 2-1 给出了简单 CPU 的逻辑框图，现说明如下 图 2-1 简单处理器原理框图 运算器 ALU 和进位出发器 C-FF 运算器是 32 位算术逻辑运算单元，它对两个 32 位二进制数（S）和（D） 进行处理，进位输入端C0 所加的是控制器送来的 C1 信号；运算结果的低32 位 直接输出，而运算结果的进位 C4 被传送到并寄存在进位出发器 C-FF 中。 运算控制器 CON 控制器产生一系列正确的时序逻辑信号，控制器各组成部件协调一致的工 作，实现两个 32 位操作数相乘运算。 数据缓冲寄存器 MDR 这是一个容量为 328 的寄存器组，存放运算过程中读出和写入的数据。 寄存器 RS 寄存器 RS 存放处理器的一个操作数（S）。 寄存器 RD 寄存器 RD 存放处理器的另一个操作数（D）。 指令计数器 PC 指令计数器 PC 存放下一条被执行指令的地址。 指令寄存器 IRAM 指令寄存器 IRAM 存放用户程序的容量为 328 的 RAM，它由开关S 的状 态控制指令的写入或读出操作。 指令寄存器 IR 存放被执行指令的操作码可，直接供控制器判别决策。 运算结果显示器 DLU 和 PC 显示器 它们都是十六进制显示部件。 节拍发生器 产生处理器的时钟信号。SSC 为单步/连续控制输入，控制节拍发生器输出 是单脉冲或连续脉冲信号。 数据选择器 MUX1 该部件实现对外部输入操作数和 ALU 输出数据两者之间的选择，并将选种 数据送往数据缓冲寄存器 MDR 去。一组输入开关 S31S0 是为提供外部输入操 作数而设置的。 综上所述， 处理器亦是由控制器和受其控制的电路两大部分所组成