計算機(jī)組成原理 實(shí)驗報告

1、 課 程 設(shè) 計 報 告課程設(shè)計名稱：計算機(jī)組成原理課程設(shè)計 系 別 ： 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 成 績： 指 導(dǎo) 教 師： 開 課 時 間： 學(xué)年 學(xué)期一、課程設(shè)計的目的1、了解計算機(jī)的組成2、了解計算機(jī)中指令機(jī)器的設(shè)計3、了解機(jī)器指令的執(zhí)行過程4、了解微程序流程以及工作原理5、了解微指令格式設(shè)計原則二、課程設(shè)計的要求 1、通過使用作者開發(fā)的微程序分析和設(shè)計仿真軟件，熟悉本文介紹的為基本模型機(jī)而設(shè)計的微程序的執(zhí)行過程。必須充分理解并正確解釋下列問題：微程序中的微指令的各個字段的作用。哪些字段是不譯碼的，哪些字段是直接譯碼的，哪些字段又可以看成是字段間接編碼的。答：不譯碼：s3-

2、b0，直接譯碼：c字段，間接譯碼：a,b字段，當(dāng)c字段進(jìn)行p(1)或ldpc時ua6-ual也是間接。 微程序中的微指令是否是順序執(zhí)行的，如果不是，那么次地址是如何產(chǎn)生的。什么情況下，次地址字段才是將要執(zhí)行的微指令的地址。答：微程序中的微指令不是順序執(zhí)行的，如果遇到p（1）p（4）測試時，則根據(jù)機(jī)械指令，ua5ua其他有關(guān)部件的內(nèi)容，產(chǎn)生下一條微指令在空存中的微地址，是微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行等。例如遇到p（1）測試，則下一條微指令在空存中的微地址的41位是用次地址字段na（41位）或指令寄存器ir（85位）所產(chǎn)生，下一條微指令的微地址仍為na字段的65

3、位。如果沒有遇到p（1）p（4）測試的話，那么次地址即為該微指令地址字段所指向的微地址。 在微程序中如何根據(jù)機(jī)器指令中的相關(guān)位實(shí)現(xiàn)分支，據(jù)此，在設(shè)計機(jī)器指令時應(yīng)如何避免和解釋其它指令的微指令的微地址沖突。 答：微程序中是根據(jù)測試程序的機(jī)器指令中的85位和微程序中后六位進(jìn)行“或”運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)分支的。避免和解決與其它指令的微指令的微地址沖突的方法就是不用已經(jīng)被其它微指令用過的微地址。 哪些微指令是執(zhí)行所有指令都要用到的。 答：00:000001011110110110000001 01:000001001100000001010000 解釋一條機(jī)器指令的微程序的各條微指令的微地址是否連續(xù)？這些微指令

4、的微地址的安排的嚴(yán)重原則是什么？ 答：不連續(xù)。嚴(yán)重原則是將各條機(jī)器指令的入口微地址置于地址連續(xù)的地址單元中，避免其它微指令亂用這一段地址。 為什么 讀寫一次內(nèi)存總要用兩條微指令完成？ 答：因為w/r只有兩種狀態(tài)，即要么是讀，要么是寫，所以，要完成一次讀寫總要用兩條微指令完成。機(jī)器程序中的用到的寄存器是r0，是由機(jī)器指令中哪些位決定的？如果要用r1或r2，是否要改寫微程序或改寫機(jī)器指令？如果要，應(yīng)如何改寫？ 答：是由機(jī)器指令中的21位決定。如果要用到r1或r2，那么不需要改寫微程序，但得改寫機(jī)器指令的低兩位，即21位，若要用到r1，則將其改為01，若要用r2，則將其改為10。 2、在原有5條機(jī)器

5、指令的基礎(chǔ)上增加實(shí)現(xiàn)下述各功能的機(jī)器指令，試設(shè)計相應(yīng)的機(jī)器指令的格式并改寫原來的微程序使其可以運(yùn)行所有的機(jī)器指令。新增加的機(jī)器指令的功能是： 異或指令xor (addr1)，(addr2)：(addr1)異或(addr2)(rd) 數(shù)據(jù)傳送指令mov rd，(addr)：(addr)(rd) 減法指令sub rd，rs：(rs)減(rd)(rd) 求反指令 not rd：/(rd) （rd）與指令and rd，(addr)：(rd)與(addr)(rd)三、微程序控制器原理1、微程序控制器的基本組成1.1、控制存儲器：它是微程序控制器的核心部件，用于存放各指令對應(yīng)的微程序，控制存儲器可用只讀存

6、儲器rom構(gòu)成1.2、微指令寄存器：用于存放從cm中取出的微指令，它的位數(shù)同微指令字長相等1.3、微地址形成部件：用于產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，以保證微指令的連續(xù)執(zhí)行1.4、微地址寄存器：接受微地址形成部件送來的微地址，為在cm中讀取微指令作準(zhǔn)備2、微程序控制器的工作過程1.1執(zhí)行取微指令公共操作。具體的執(zhí)行是：在機(jī)器開始運(yùn)行時，自動將取指微程序的入口地址送入cmar，并從cm中讀出相應(yīng)的微指令送入cmdr。取指微程序的入口地址一般為cm的0號單元，當(dāng)取指微程序執(zhí)行完成后，從主存中取出的機(jī)器指令就已存入指令寄存器中了。1.2、由機(jī)器指令的操作碼字段通過微地址形成部件產(chǎn)生該機(jī)器指令所對應(yīng)的微程

7、序的入口地址，并送入cmdr。1.3從cm中逐條取出對應(yīng)的微指令并執(zhí)行。1.4、執(zhí)行完對應(yīng)于一條機(jī)器指令的一個微程序后又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第一步，以完成取下一條機(jī)器指令的公共操作。3、微程序控制器的工作原理 根據(jù)ir（指令寄存器）中的操作碼，找到與之對應(yīng)的控存中的一段微程序的入口地址，并按指令功能所確定的次序，逐條從控制存儲器中讀出微指令，以驅(qū)動計算機(jī)各部件正確運(yùn)行。 根據(jù)基本模型機(jī)的硬件設(shè)計五條機(jī)器指令：外設(shè)輸入指令in、二進(jìn)制加法指令add、存數(shù)指令sta、無條件轉(zhuǎn)移指令jmp。指令格式如下：助記符 機(jī)器指令碼說明in 0000 0000 ； 置數(shù)開關(guān)sw（kd0kd7）的狀態(tài)

8、r0add addr 0001 0000 ； (r0)+(addr)（r0）sta addr 0010 0000 ； (r0)（addr）jmp addr 0100 0000 ； addrpc說明： 指令in為單字節(jié)指令，其余均為雙字節(jié)指令， 為要讀寫的主存儲器單元的二進(jìn)制地址碼。四、指令微流程設(shè)計用數(shù)據(jù)流表示的微程序流程五、詳細(xì)設(shè)計in : 01:00000101111011011000001002:00000100110000000100100008:000001000001000000000001add: 01:00000101111011011000001002:00000100110

9、000000100100003:00000100111000000000010004:00000100101100000000010105:00000101101000100000011006:10010101100110100000000109:000001011110110110000011sta: 01:00000101111011011000001002:00000100110000000100100007:0000010011100000000011010a:0000010111101101100001110d:000001101000001000000001jmp: 01:0000

10、0101111011011000001002:0000010011000000010010000b:0000010111101101100011000c:000001001101000110000001六、仿真測試微指令000001011110110110000010執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：02微指令000001001100000001001000執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldir,p(1)測試:na(30)或(ir7ir4),轉(zhuǎn)微地址：08微指令000001000001000000000001執(zhí)行的操作是：輸入開關(guān)swb有效,ld

11、r0,轉(zhuǎn)微地址：01微指令000001011110110110000010執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：02微指令000001001100000001001000執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldir,p(1)測試:na(30)或(ir7ir4),轉(zhuǎn)微地址：09微指令000001011110110110000011執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：03微指令000001001110000000000100執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldar,轉(zhuǎn)微地址：04微指令0000010010110000

12、00000101執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,lddr2,轉(zhuǎn)微地址：05微指令000001011010001000000110執(zhí)行的操作是：r0b,lddr1,轉(zhuǎn)微地址：06微指令100101011001101000000001執(zhí)行的操作是：算術(shù):a加b,alub,ldr0,轉(zhuǎn)微地址：01微指令000001011110110110000010執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：02微指令000001001100000001001000執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldir,p(1)測試:na(30)或(ir7ir4),轉(zhuǎn)微地址：0a微指令

13、000001011110110110000111執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：07微指令000001001110000000001101執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldar,轉(zhuǎn)微地址：0d微指令000001101000001000000001執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,寫存儲器,r0b,轉(zhuǎn)微地址：01微指令000001011110110110000010執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：02微指令000001001100000001001000執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,ldir,p(1)

14、測試:na(30)或(ir7ir4),轉(zhuǎn)微地址：0b微指令000001011110110110001100執(zhí)行的操作是：pcb,ldar,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：0c微指令000001001101000110000001執(zhí)行的操作是：存儲器ce有效,存儲器讀,pcload,允許pc加1(ldpc=1),轉(zhuǎn)微地址：017、 課程設(shè)計中出現(xiàn)的問題以及解決方法在本次課程設(shè)計中，我對仿真一條減法指令這方面掌握的不夠好，經(jīng)過后來幾天的認(rèn)真研究，終于解決了這個問題。假設(shè)從程序計數(shù)器pc開始，將數(shù)據(jù)送入地址寄存器，所以要想方設(shè)法1）把這兩個減數(shù)傳到運(yùn)算器的寄存器中，2）在運(yùn)算器中相減，3）將

15、結(jié)果輸出到內(nèi)存單元。以下分別進(jìn)行分析。1）取每個減數(shù)要訪問兩次內(nèi)存，第一次是取得減數(shù)所在的內(nèi)存地址的值, 第二次是取得減數(shù)本身并保存在地址寄存器中。注意，取第二個減數(shù)的時候，第一次仍是放入ar，而第二次的同時也把減法給完成了，請見接下來的分析。2）相減的操作是a-b地址寄存器。a是從內(nèi)存中取得的第二個減數(shù)的值，左邊的b是剛才取得的第一個減數(shù)的值。他倆相減的值傳給地址寄存器，覆蓋掉了指令寄存器剛才保存的值（第一個減數(shù)）。3）現(xiàn)在地址寄存器中存有減法的運(yùn)算結(jié)果，最后的工作是把這個結(jié)果寫到內(nèi)存單元addr1中去。如果ar或者pc指向addr1的話就好辦了，難點(diǎn)在于現(xiàn)在ar已經(jīng)到了addr2處，pc已

16、經(jīng)到了addr2+1處，而且又不知道如何讓寄存器的值減一。后來問同學(xué)，得到了解決辦法：利用指令寄存器。指令正好還呆在addr1-1。顯然，讓指令+1就得到了addr1。微指令是指令+1ar以及aar，這時ar的值為第一個加數(shù)所在的單元addr1?，F(xiàn)在地址寄存器的值是運(yùn)算結(jié)果，ar的值是運(yùn)算結(jié)果要傳給的內(nèi)存地址。顯而易見，最后一步就是“存儲器寫”操作。其它要注意的地方：1）微程序中有兩處pc+1pc，第一處是為了取得第二個加數(shù)所在的內(nèi)存地址，第二處是為了把pc指向下一句，在這里是ret，才能使程序正常結(jié)束。2）使用q寄存器的好處有：第一，不修改通用寄存器r0，r1等，因為別的程序可能用到它們。第

17、二，程序易讀、風(fēng)格優(yōu)美。8、 心得體會這次課程設(shè)計是在已學(xué)計算機(jī)組成原理基礎(chǔ)上進(jìn)行的一次大型實(shí)驗，也是對該課程所學(xué)理論知識的深化和提高。因此，要求學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計與制造出具有較復(fù)雜功能的應(yīng)用系統(tǒng)，并且在實(shí)驗的基本技能方面上進(jìn)行一次全面的訓(xùn)練。通過對這一次機(jī)器指令的設(shè)計，使我對計算機(jī)組成原理的基本知識的使用更加熟練，同時也增加了我對計算機(jī)組成原理的一些認(rèn)識，培養(yǎng)從資料文獻(xiàn)、科學(xué)實(shí)驗中獲得知識的能力，在作業(yè)完成過程中通過和同學(xué)的交流，也增加了合作的技巧，提高學(xué)生從別人經(jīng)驗中找到解決問題的新途徑的悟性，初步培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新能力。通過查閱以下資料也學(xué)到了一些課本上沒有的東西，很多知識從模糊概念到具體的了解，從毫無所知到具體的應(yīng)用，拓寬了自己的知識面，增加了學(xué)好匯編語言的信心。當(dāng)然，在本次設(shè)計中，遇到