計算機(jī)組成原理復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計

1、課程設(shè)計報告課 程 名 稱： 計算機(jī)組成原理題 目 名 稱： 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)專 業(yè) 名 稱： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級：2012240201學(xué) 號：201224020112學(xué) 生 姓 名：雷 彬同 組 人：曹子愷指 導(dǎo) 老 師 ：單博煒 完 成 時 間 ：2014年12月29日至2014年1月4日第一章 課程設(shè)計概述.11.1課程設(shè)計的教學(xué)目的.11.2課程設(shè)計任務(wù)和基本要求.1第二章 規(guī)定項目的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.2 2.1實(shí)驗(yàn)線路圖22.2 測試.22.3 寫程序22.4 聯(lián)機(jī)讀寫程序32.5 運(yùn)行程序6第三章 指定應(yīng)用項目的設(shè)計實(shí)現(xiàn).6 3.1 設(shè)計任務(wù)6 3.2 任務(wù)分析及解決方案6 3.

2、3 設(shè)計原理.7 3.4 程序運(yùn)行分析及討論12第四章 收獲和體會.13 第一章、課程設(shè)計概述1.1 課程設(shè)計的教學(xué)目的本課程設(shè)計的教學(xué)目的是在掌握計算機(jī)系統(tǒng)組成及內(nèi)部工作機(jī)制、理解計算機(jī)各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上，深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的方法，進(jìn)一步加深對計算機(jī)系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識和整機(jī)的概念，培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機(jī)的技能。在設(shè)計實(shí)踐中提高應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。 此次課題的目的是完整設(shè)計一臺模型計算機(jī)，進(jìn)一步建立整機(jī)的概念。借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時序信號單元，寄存器組，總線，

3、輸入輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計一臺的模型計算機(jī)。設(shè)計包括模型計算機(jī)組成的設(shè)計，指令系統(tǒng)的設(shè)計，并用匯編語言完成設(shè)計并調(diào)試成功因此我們先通過一個復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行實(shí)際的計算機(jī)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，然后安排了用CPLD 來實(shí)現(xiàn)一個CPU 中的大部分功能的設(shè)計實(shí)驗(yàn)，接著討論了輸入輸出系統(tǒng)的概念、分類、接口、尋址、基本控制方式等，根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，寫入到控制存儲器中的相應(yīng)單元中。在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的運(yùn)行正確。當(dāng)所有功能模塊

4、都調(diào)試正常后，進(jìn)入總調(diào)試。連接所有模塊，用單步微指令方式執(zhí)行機(jī)器指令的微程序流程圖，當(dāng)全部微程序流程圖檢查完后，若運(yùn)行結(jié)果正確，則在內(nèi)存中裝入一段機(jī)器指令，進(jìn)行其他的運(yùn)行方式等功能調(diào)試及執(zhí)行指令的正確性驗(yàn)證。在驗(yàn)證正確后再自己修改幾條微程序，再調(diào)試驗(yàn)證是否達(dá)到自己的目的。1.2課程設(shè)計的任務(wù)和基本要求1、設(shè)計任務(wù) 綜合運(yùn)用所學(xué)計算機(jī)組成原理知識，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)較為完整的計算機(jī)。2、基本要求利用所學(xué)過的理論知識，特別是微程序設(shè)計的思想，設(shè)計基于微程序控制器的模型計算機(jī)，包括設(shè)計相應(yīng)的硬件平臺、機(jī)器指令系統(tǒng)和微指令等。設(shè)計環(huán)境為TDCMA計算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱、微機(jī)，聯(lián)機(jī)軟件等。同時設(shè)計好基于模型機(jī)

5、的測試驗(yàn)證程序，并在設(shè)計好的硬件平臺上調(diào)試通過，以驗(yàn)證所設(shè)計的模型機(jī)功能的可行性與可靠性。在設(shè)計完成的前提下，撰寫出符合要求的課程設(shè)計說明書并通過設(shè)計答辯。設(shè)計具有不少于10條機(jī)器指令的復(fù)雜指令系統(tǒng)模型機(jī)，包含算術(shù)邏輯指令、訪問內(nèi)存指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令、停機(jī)指令等。數(shù)據(jù)的尋址方式要包括直接、間接、變址和相對尋址等多種尋址方式。利用設(shè)計的復(fù)雜模型機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個數(shù)的減法運(yùn)算并判斷差得正負(fù)，差為正數(shù)則輸出A，差為負(fù)數(shù)則輸出B，差為零則輸出C。在設(shè)計好的模型機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計一個測試驗(yàn)證程序，驗(yàn)證模型機(jī)功能的可行性與可靠性。第二章 規(guī)定項目的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.1 實(shí)驗(yàn)線路圖2.2 測試在聯(lián)機(jī)軟件C

6、MPP中打開復(fù)雜模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路，在菜單中點(diǎn)擊“開始”，按照提示進(jìn)行測試。2.3 寫程序用聯(lián)機(jī)軟件在CMPP中將機(jī)器指令以及微指令的二進(jìn)制代碼編輯成十六進(jìn)制的TXT文件，轉(zhuǎn)出裝載到試驗(yàn)系統(tǒng)中。2.4 聯(lián)機(jī)讀/寫程序選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲】-【裝載】“功能，在打開文件對話框中選擇上面保存的文件，軟件自動將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧C(jī)器程序 $P 00 20 ; START: IN R0,00H 從IN單元讀入計數(shù)初值 $P 01 00 $P 02 61 ; LDI R1,0FH 立即數(shù)0FH送R1 $P 03 0F $P 04 14 ; AND R0,R1 得到R0低四位 $P 05 61

7、; LDI R1,00H 裝入和初值00H $P 06 00 $P 07 F0 ; BZC RESULT 計數(shù)值為0則跳轉(zhuǎn) $P 08 16 $P 09 62 ; LDI R2,60H 讀入數(shù)據(jù)始地址 $P 0A 60 $P 0B CB ; LOOP: LAD R3,RI,00H 從MEM讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址，偏移量為00H $P 0C 00 $P 0D 0D ; ADD R1,R3 累加求和 $P 0E 72 ; INC RI 變址寄存加1，指向下一數(shù)據(jù) $P 0F 63 ; LDI R3,01H 裝入比較值 $P 10 01 $P 11 8C ; SUB R0,R3 $P 12 F0

8、; BZC RESULT 相減為0，表示求和完畢 $P 13 16 $P 14 E0 ; JMP LOOP 未完則繼續(xù) $P 15 0B $P 16 D1 ; RESULT: STA 70H,R1 和存于MEM的70H單元 $P 17 70 $P 18 34 ; OUT 40H,R1 和在OUT單元顯示 $P 19 40 $P 1A E0 ; JMP START 跳轉(zhuǎn)至START $P 1B 00 $P 1C 50 ; HLT 停機(jī) $P 60 01 ; 數(shù)據(jù) $P 61 02 $P 62 03 $P 63 04 $P 64 05 $P 65 06 $P 66 07 $P 67 08 $P 6

9、8 09 $P 69 0A $P 6A 0B $P 6B 0C $P 6C 0D $P 6D 0E $P 6E 0F微程序 $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC->AR, PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; RS->B $M 05 04B201 ; A加B->RD $M 06 002407 ; RS->B $M 07 013201 ; A與B->RD $M 08 106009 ; MEM->AR $M 09 183001 ; IO->RD

10、 $M 0A 106010 ; MEM->AR $M 0B 000001 ; NOP $M 0C 103001 ; MEM->RD $M 0D 200601 ; RD->MEM $M 0E 005341 ; A->PC $M 0F 0000CB ; NOP, P<3> $M 10 280401 ; RS->IO $M 11 103001 ; MEM->RD $M 12 06B201 ; A加1->RD $M 13 002414 ; RS->B $M 14 05B201 ; A減B->RD $M 15 002416 ; RS-&g

11、t;B $M 16 01B201 ; A或B->RD $M 17 002418 ; RS->B $M 18 043201 ; A右環(huán)移->RD $M 1B 005341 ; A->PC $M 1C 10101D ; MEM->A $M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 1E 10601F ; MEM->AR $M 1F 101020 ; MEM->A $M 20 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 28 101029 ; MEM->A $M 29 00282A ; RI-

12、>B $M 2A 04E22B ; A加B->AR $M 2B 04928C ; A加B->A, P<2> $M 2C 10102D ; MEM->A $M 2D 002C2E ; PC->B $M 2E 04E22F ; A加B->AR $M 2F 04928C ; A加B->A, P<2> $M 30 001604 ; RD->A $M 31 001606 ; RD->A $M 32 006D48 ; PC->AR, PC加1 $M 33 006D4A ; PC->AR, PC加1 $M 34 003

13、401 ; RS->RD $M 35 000035 ; NOP $M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 $M 37 001612 ; RD->A $M 38 001613 ; RD->A $M 39 001615 ; RD->A $M 3A 001617 ; RD->A $M 3B 000001 ; NOP $M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 $M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1 $M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1 $M 3F 006D6C ; PC->AR,

14、PC加1 2.5 運(yùn)行程序聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令和微指令，調(diào)整控制臺，使SWB=1、SWA=1，即啟動程序。選擇【運(yùn)行】【通路圖】【復(fù)雜模型機(jī)】功能菜單打開相應(yīng)動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。在驗(yàn)證過程中，選擇單步運(yùn)行微指令，對比微指令每一字段的含義，仔細(xì)觀察每一條微指令數(shù)據(jù)通路圖的運(yùn)行過程，為指定項目的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。第三章 指定應(yīng)用項目的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)3.1 設(shè)計任務(wù)根據(jù)現(xiàn)有指令，在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算：從IN單元讀入一個數(shù)據(jù)，根據(jù)讀入數(shù)據(jù)的低4位值X，求1+2+.+X的累加和，01H到0FH工十五個數(shù)據(jù)存于60H到6EH單元3.2 任務(wù)分析及解決方

15、案將01H到0FH工15個數(shù)據(jù)存于60H到6EH單元中的話，解決累加和問題的解決步驟如下： 1、從IN單元讀入計數(shù)初值； 2、立即數(shù)0FH送R1； 3、將R0和R1進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，得到R0的低四位； 4、裝入計數(shù)初值00H； 5、比較計數(shù)值，為0則跳轉(zhuǎn)； 6、讀入數(shù)據(jù)初始地址給R2； 7、從內(nèi)存中讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址，偏移量為00H； 8、R1和R3的值相加，將和賦給R3； 9、變址寄存器RI加1，指向下一個數(shù)據(jù)； 10、裝入比較值到R3； 11、將R0與R3相減，并將差值賦給R3； 12、判斷R0的值，若為0，表示求和完畢，不是則跳到第7步繼續(xù)執(zhí)行； 13、累加和存于內(nèi)存的70H單元，并

16、最后顯示。3.3 設(shè)計原理 1、數(shù)據(jù)格式模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為8位，8位全用來表示數(shù)據(jù)（最高位不表示符號），數(shù)值表示范圍是：0 X 1 。2、指令設(shè)計模型機(jī)設(shè)計三大類指令工十五條，其中包括運(yùn)算類指令，控制轉(zhuǎn)移類指令，數(shù)據(jù)傳送類指令。運(yùn)算類指令包含三種運(yùn)算，算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算和移位運(yùn)算，設(shè)計有6條運(yùn)算類指令，分別為：ADD、 AND、INC、SUB、OR、RR，所有運(yùn)算類指令都為單字節(jié)，尋址方式采用寄存器直接尋址。控制轉(zhuǎn)移類指令有三條HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和轉(zhuǎn)移，其中HLT為單字節(jié)指令，JMP和BZC為雙字節(jié)指令。數(shù)據(jù)傳送類指令有IN、OUT、MOV、L

17、DI、LAD、STA共6條，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存儲器之間的數(shù)據(jù)交換，除MOV指令為單字節(jié)指令外，其余均為雙字節(jié)指令。3、指令格式所有單字節(jié)指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）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：IN和OUT的指令格式為： 其中括號中的1表示指令的第一個字節(jié)，2表示指令的第二個字節(jié)，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，P為I/O端口號，占用一個字節(jié)，系統(tǒng)的I/O地址譯碼原理見如下圖： 由于用的是地址總線的高兩位進(jìn)行譯碼，I/O地址空間被分為四個區(qū)，如下：

18、 系統(tǒng)設(shè)計五種數(shù)據(jù)尋址方式，即立即、直接、間接、變址和相對尋址，LDI指令為立即尋址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具備直接、間接、變址和相對尋址能力。LDI的指令格式如下，第一字節(jié)同前一樣，第二字節(jié)為立即數(shù)。 LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下： 其中M為尋址模式，具體見下表，以R2作為變址寄存器RI。4、指令系統(tǒng)本模型機(jī)共有15條基本指令，下表列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。5、總體設(shè)計本模型的數(shù)據(jù)通路框圖如下：根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定位地址如下圖：根據(jù)系統(tǒng)建議的微指令格式，見下表：參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，議程二進(jìn)制代碼表，并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為兩級操作時的十六進(jìn)制格式文件，如下：設(shè)計一段機(jī)器程序，將程序存為TXT格式，然后通過CMA軟件導(dǎo)入模型機(jī)中，運(yùn)行。3.4 程序運(yùn)行分析與討論上機(jī)調(diào)試步驟 選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇保存的文件，軟件自動將機(jī)器程序和微程序?qū)懭胫付▎卧?選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令并在指令區(qū)顯示，對照文件檢查微程序和機(jī)器程序是否正確。如不正確，則應(yīng)該重新寫入。