計算機組成原理課程設(shè)計（論文）模型機組成設(shè)計

1、廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 課課 程程 設(shè)設(shè) 計（論文）計（論文） 課程名稱 計算機組成原理 題目名稱 模型機組成設(shè)計 學(xué)生學(xué)部（系） 信息與計算機學(xué)部 專業(yè)班級 08 計算機 1 班 學(xué) 號 11010801001 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2011 年 01 月 03 日 廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 課程設(shè)計（論文）任務(wù)書課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 一、課程設(shè)計（論文）的內(nèi)容 通過對一個簡單模型機的設(shè)計與實現(xiàn),對計算機的基本組成、部件的設(shè)計、部件間的 連接以及微指令執(zhí)行的過程。 二、課程設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù) （1）需求分析 （2）系統(tǒng)設(shè)計 （3）模塊代碼能正常運行 （

2、4）提供合理的測試數(shù)據(jù) （5）設(shè)計說明文檔 三、課程設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作 （1）采用模塊化的程序設(shè)計方法，程序書寫符合規(guī)范，代碼應(yīng)完善。 （2）要有運行結(jié)果和過程的界面截圖。 （3）對系統(tǒng)進(jìn)行初步的錯誤和漏洞檢測； 題目名稱 模型機組成設(shè)計 學(xué)生學(xué)部（系）信息與計算機學(xué)部 專業(yè)班級 2008 級計算機科學(xué)與技術(shù) 1 班 姓 名 學(xué) 號 11010801001 （4）根據(jù)論文規(guī)范撰寫論文，用a4紙打印并按時提交。 四、課程設(shè)計（論文）進(jìn)程安排 序號 設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容 地點起止日期 1 搜集資料圖書館 10.12.10-12.14 2 需求分析圖書館 10.12.15-12.18 3 系

3、統(tǒng)分析與設(shè)計圖書館 10.12.19-12.25 4 功能模塊的實現(xiàn)圖書館 10.12.26-12.30 5 系統(tǒng)測試，運行宿舍 11.1.1-1.2 6 完成課程設(shè)計（論文）宿舍 11.1.2-1.3 五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 1 蔣本珊 主編.計算機組成原理（第二版）m. 北京：清華大學(xué)出版社. 2002 2 胡越明 .計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電子工業(yè)出版社 3 白中英 主編.計算機組成原理 科學(xué)出版社 4 文哲蓉 茍平章.計算機組成原理實驗指導(dǎo)及習(xí)題解答 甘肅教育出版社 發(fā)發(fā)出任出任務(wù)書務(wù)書日期：日期： 2010 年年 12 月月 10 日日 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師簽師簽名：名： 計計劃完成

4、日期：劃完成日期： 2011 年年 1 月月 3 日日 目錄目錄 1 1 . .引言引言.1 1 1.1 設(shè)計目的.1 1.2 設(shè)計意義.1 1.3 設(shè)計內(nèi)容.1 2 2 . .設(shè)計過程分析與實現(xiàn)設(shè)計過程分析與實現(xiàn).2 2 2.1 模型機結(jié)構(gòu).2 2.2 指令編碼.3 2.2.1數(shù)據(jù)格式.3 2.2.2指令格式.3 2.2.3指令系統(tǒng).4 2.3 微程序.4 2.4 應(yīng)用程序.7 2.5 接線圖.8 3 3 . . 調(diào)試及結(jié)果分析調(diào)試及結(jié)果分析.9 9 結(jié)論結(jié)論.1010 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1111 1 1 .引言引言 1.1 設(shè)計目的設(shè)計目的 通過對一個簡單模型機的設(shè)計與實現(xiàn),對計算機的基本

5、組成、部件的設(shè)計、部件間的 連接以及微指令執(zhí)行的過程。 1.掌握整機動態(tài)工作過程 2.了解微程序控制器的設(shè)計，構(gòu)建指令系統(tǒng) 3.組建模型機，編寫應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試 1.2 設(shè)計意義設(shè)計意義 本課程設(shè)計為學(xué)生提供了一個既動手又動腦，自學(xué)，查資料，獨立實踐的機會，也 為將來設(shè)計程序積累一定的寶貴經(jīng)驗.讓我們將本學(xué)期課本上的理論知識和實際有機的結(jié) 合起來，鍛煉實際分析問題和解決問題的能力。 1.3 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容 1、設(shè)計指令系統(tǒng) 2、編寫微程序 3、實驗接線 4、編寫應(yīng)用程序，選擇實現(xiàn)下列要求的一種功能 （1）輸入兩個一位十進(jìn)制數(shù)，計算兩數(shù)之和，并以bcd碼輸出 （2）輸入一個一位十進(jìn)制數(shù)，將其擴

6、大5倍后以bcd碼輸出 （3）輸入一個兩位十進(jìn)制數(shù)，求其負(fù)值的補碼 （4）輸入一個兩位十進(jìn)制數(shù)，輸出八進(jìn)制結(jié)果 （5）輸入幾個數(shù)，統(tǒng)計大于10的數(shù)的個數(shù) （6）輸入幾個數(shù)，找出最大數(shù) 2 2 .設(shè)計過程分析與實現(xiàn)設(shè)計過程分析與實現(xiàn) 2.1 模型機結(jié)構(gòu)模型機結(jié)構(gòu) 圖1 模型機結(jié)構(gòu)框圖 圖1中運算器alu由u7u10四片74ls181構(gòu)成，暫存器1由u3、u4兩片74ls273構(gòu)成，暫存 器2由u5、u6兩片74ls273構(gòu)成。微控器部分控存由u13u15三片2816構(gòu)成。除此之外，cpu 的其它部分都由ep1k10集成（其原理見系統(tǒng)介紹部分）。 存儲器部分由兩片6116構(gòu)成16位存儲器，地址總線

7、只有低八位有效，因而其存儲空間為 00hffh。 輸出設(shè)備由底板上的四個led數(shù)碼管及其譯碼、驅(qū)動電路構(gòu)成，當(dāng)d-g和w/r均為低電平時將 數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。在開關(guān)方式下，輸入設(shè)備由16位電平開關(guān)及兩個三態(tài)傳輸 芯片74ls244構(gòu)成，當(dāng)dij-g為低電平時將16位開關(guān)狀態(tài)送上數(shù)據(jù)總線。在鍵盤方式或聯(lián)機方 式下，數(shù)據(jù)可由鍵盤或串口輸入，然后由監(jiān)控程序直接送上數(shù)據(jù)總線，因而外加的數(shù)據(jù)輸入 電路可以不用。 3 2.2 指令編碼指令編碼 2.2.1 數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式 本實驗計算機采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為16位，其格式如下： 其中第16位為符號位，數(shù)值表示范圍是：-32768x3

8、2767。 2.2.2 指令格式指令格式 （1）算術(shù)邏輯指令 設(shè)計9條單字長算術(shù)邏輯指令，尋址方式采用寄存器直接尋址。其格式如下： 其中op-code為操作碼，rs為源寄存器，rd為目的寄存器，并規(guī)定： op-code011110001001101010111100110111101111 指令 clrmovaddsubincandnotrorrol rs或rd選定寄存器 00ax 01bx 10cx 9條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表1。 （2）存儲器訪問及轉(zhuǎn)移指令 存儲器的訪問有兩種，即存數(shù)和取數(shù)。它們都使用助記符mov，但其操作碼不同。轉(zhuǎn)移 指令只有一種，即無條件轉(zhuǎn)移（jmp）。

9、指令格式如下： 7 65 43 21 0 00mop-coderd d 其中op-code為操作碼，rd為寄存器。m為尋址模式，d隨m的不同其定義也不相同，如下表 所示： op-code000110 指令說 明 寫存儲 器 讀存儲 器 轉(zhuǎn)移指 令 尋址模式m有效地址ed定義說 明 00 e=（pc）+1立即數(shù)立即尋址 1514 13 0 符號尾數(shù) 7 6 5 43 21 0 op-codersrd 4 10e=d 直接地址直接尋址 11e=100h +d 直接地址擴展直接尋址 注：擴展直接尋址用于面包板上擴展的存儲器的尋址。 （3）i/o指令 輸入（in）和輸出（out）指令采用單字節(jié)指令，其

10、格式如下： 其中，當(dāng)op-code=0100且addr=10時，從“數(shù)據(jù)輸入電路”中的開關(guān)組輸入數(shù)據(jù)；當(dāng)op- code=0100且addr=01時，將數(shù)據(jù)送到“輸出顯示電路”中的數(shù)碼管顯示。 2.2.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 有14條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令8條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條。輸入輸出指 令2條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號和指令功能。 表1 指令格式 匯編符號指令的格式功 能 mov rd，rs 1000 rs rdrsrd add rd，rs 1001 rs rdrs+rdrd sub rd，rs 1010 rs rdrd-rsrd inc rd1011 rd rd

11、rd+1rd and rd，rs 1100 rs rdrsrdrd not rd1101 rd rd/rdrd ror rd1110 rd rd rd rol rd1111 rd rd rd 00 10 00 rd mov d，rd d rdd 00 10 01 rdmov rd, dd drd 00 00 01 rd mov rd,d d drd 00 00 10 00 jmp d d dpc in rd, kin0100 10 rdkinrd out disp，rd 0100 01 rdrddisp 7 6 5 43 21 0 op-codeaddrrd 5 2.3 微程序微程序 機器指令

12、的執(zhí)行過程如下：首先將指令在外存儲器的地址送上地址總線，然后將該地址 上的指令傳送至指令寄存器，這就是“取指”過程。之后必須對操作碼進(jìn)行 p1 測試，根據(jù) 指令的譯碼將后續(xù)微地址中的某幾位強制置位，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址， 這就是“譯碼”過程。然后才順序執(zhí)行該段微程序，這是真正的指令執(zhí)行過程。 6 結(jié)合微程序流程圖中需要完成的功能和對由四片 74ls181 芯片所組成的算術(shù)邏輯單元 alu 的控制條件測試等的理解和認(rèn)識，我們得到完整微指令表如下： 微代碼表 7 微地址（八進(jìn) 制） 微地址（二進(jìn) 制） 微代碼（十六 進(jìn)制） 00000000007f88 01000001005b42

13、 02000010016ffd 06000110015fe5 07000111015fe5 10001000005b4a 11001001005b4c 12001010014ffbc1 1400110001cffc 20010000005b65 22010010005b47 23010011005b46 24010100007f15 2501010102f5c1 27010111018fc1 300110000001c1 310110010041ea 320110100041ec 330110110041f2 340111000041f3 350111010041f6

14、 360111103071f7 370111113071f9 401000000379c1 41100001010fc1 42100010011f41 45100101007f20 521010100029eb 531010119403c1 541011000029ed 551011016003c1 621100100003c1 631100110029f5 65110101b803c1 661101100803c1 67110111207df8 70111000000dc1 71111001107dfa 72111010000dc1 7311101106f3c8 74111100ff73c9

15、 75111101016e10 8 2.4 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 1： 實現(xiàn)的是輸入一個一位十進(jìn)制數(shù)，將其擴大 5 倍后以 bcd 碼輸出的功能，設(shè)計思 路為：擴大 5 倍，用 bcd 碼輸出要進(jìn)行修正，修正值為 10 的倍數(shù)6 設(shè)輸入值為 x k=x and feh， 修正值=k1 + k2 程序如下： 00 0048；in ax,kin /ax=x 01 0081;mov bx，ax/bx=x 02 0021;mov00ff,bx/00ff=x 03 00ff; 04 00f0;rol ax/ax=2x 05 00f0;rol ax/ax=4x 06 0091;add bx，ax /bx=5x

16、 07 0024;mov ax,00ff /ax=x 08 00ff; 09 0021;mov00fe,bx/00fe=5x 0a 00fe; 0b 0005;mov bx,feh/bx=feh 0c 00fe; 0d 00c1;and bx，ax/bx=k=x and feh 0e 0021;mov00fd,bx/00fd=k 0f 00fd; 10 0024;mov ax,00fd /ax=k 11 00fd; 12 00f0;rol ax/ax=k1 13 0081;mov bx，ax/bx=k1 14 00f0;rol ax/ax=k2 15 0091;add bx，ax /bx=k2

17、+k1 16 0024;mov ax,00fe /ax=5x 17 00fe; 18 0094;add ax,bx /ax=5x+k2+k1 19 0082; mov cx，ax /cx=ax 1a 0046;out disp,cx 1b 0008 1c 0000 2： 實現(xiàn)輸入一個兩位十進(jìn)制數(shù)，求其負(fù)值的補碼 設(shè)計思路： 十進(jìn)制數(shù)要先轉(zhuǎn)換為 2 進(jìn)制 設(shè)數(shù)為 x，十位數(shù)為 t，個位數(shù)為 z m=t1 n=m+m2 +z 9 將 n 取反+1 程序如下： 00 0048;in ax,kin 01 0049;in bx,kin 02 00f0;rol ax 03 0021;mov00ff,bx

18、04 00ff; 05 0081;mov bx,ax 07 00f0;rol ax 08 00f0;rol ax 09 0094;add ax,bx a 0025;mov bx 00ff b 00ff; c 0094; add ax,bx d 00d0;not ax e 00b0;inc ax f 0082;mov cx ax 1o 0046;out disp,cx 11 0008;jmp 2.5 接線圖接線圖 圖 2 實驗連線圖 3 . 調(diào)試及結(jié)果分析調(diào)試及結(jié)果分析 1.實驗過程中遇到的錯誤及解決辦法： 10 發(fā)現(xiàn)錯誤：驗證機器指令時，填入一個指令地址，讀出的指令代碼跟正確的指令地址不對 應(yīng)。 解決錯誤：主存儲器電路上有一條線沒有接上，接上后驗證結(jié)果正確。 2.數(shù)據(jù)測試與結(jié)果： （1）測試數(shù)據(jù)：1 結(jié)果：0005 （2）測試數(shù)據(jù)：6 結(jié)果：0018 測試其它數(shù)據(jù)也得到了相應(yīng)的正確結(jié)果。 3.結(jié)果分析： 編寫正確的微程序，和正確的機器指令，再驗證無誤后，即可測試輸入一個一位十進(jìn)制數(shù)， 將其擴大 5 倍后以 bcd