計算機組成原理設(shè)計報告

1、計算機組成原理課程設(shè)計報告大連海事大學(xué)課程設(shè)計報告課程名稱：計算機組成原理課程設(shè)計 成 員：學(xué)號姓名成績2220132451程子璇2220112338班昌石石設(shè)計時間：2015年8月31日至9月11日計算機組成原理課程設(shè)計報告2目錄1 .設(shè)計任務(wù)與要求,-1 -10113.詳細設(shè)計, 4.設(shè)計結(jié)果及分析,5.成員分工及工作情況, 6.參考文獻,計算機組成原理課程設(shè)計報告-5 -1.設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計課題的背景、目的與意義“計算機組成原理課程設(shè)計”是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在修完“計算 機組成原理”課程之后，必須完成的實驗環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計是在完成計算機組成 原理分解實驗的基礎(chǔ)上，來進行模

2、型計算機的整機實驗。通過模型機的設(shè)計、組 裝和調(diào)試，連貫運用“計算機組成原理”課學(xué)到的知識，建立計算機整機的概念， 加深對計算機“時空”概念的理解，掌握設(shè)計和調(diào)試計算機的基本步驟和方法， 提高應(yīng)用集成電路的基本技能，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作的能力、 分析問題和解 決問題的能力。1.2課設(shè)應(yīng)解決的主要問題（1）掌握常用的集成電路芯片的工作原理、特性和應(yīng)用；（2）按現(xiàn)有實驗室提供的條件，設(shè)計模型計算機的結(jié)構(gòu)，組成，數(shù)據(jù)格式、指 令系統(tǒng)、微指令系統(tǒng)；（3）設(shè)計一個具有微程序控制器的計算機系統(tǒng)；操作時間表、微指令 結(jié)論正確的課程設(shè)計（4）在組裝調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計說明書和其它文件（包括：指令系

3、統(tǒng)、總體圖、整機電路邏輯圖、元件排列圖、操作流程圖、 格式和微程序），撰寫要簡明扼要、文理通順、圖表清晰、 總結(jié)報告。掌握計算機組成原理知識 數(shù)據(jù)格式設(shè)計指令設(shè)計，指令格式設(shè)計 指令系統(tǒng)設(shè)計1.3課設(shè)應(yīng)達到的技術(shù)要求（1）（2）（3）（4） 1.4課題設(shè)計的基本理論依據(jù)（1）指令格式HLT和MOV格式如下:所有單字節(jié)指令（ADD AND INC、SUB OR RR表1-4-1單指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD其中，OP-COD助操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規(guī)定: 表1-4-2寄存器規(guī)定RD或 RS選定的寄存器00R001R110R211R3IN和OUT的

4、指令格式為：表1-4-3 IN 和OUT指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDP其中括號中的1表示指令的第一子節(jié)，2表示指令的第二子節(jié)，OP-CODE 為操作碼，R助源寄存器，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 地址譯碼原理見圖1-4-1 （在地址總線單元）。y1* t二B A B GATS衣X N 西 X2 3 0 1112 2 Y Y Y Y12 3 Y Y Y O O O III圖1-4-1 I/O地址譯碼原理圖系統(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

5、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)。表1-4-4 LDI指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDdataLAD STA JMP和BZC指令格式如下。表1-4-5 LAD、STA JMP和BZC指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDD其中M為尋址模式，具體見表1-4-6，以R2做為變址寄存器RI。表1-4-6 尋址方式尋址模式M有效地址E說明00E = D直接尋址01E= (D)間接尋址10E= (RI) +DRI變址尋址1

6、1E= (PC) +D相對尋址(2)微指令格式A字段B字段C字段141312選擇000NOP001LDA010LDB011LDKi100保附101LOAD110LDAR111LDIR11109選擇000NOP001ALU B010RS B01IRD B100RI B101保留110PC B11I保留3ri6選擇000NOP001P<1>010P<2>011P<3>100保留101LDPC110保留111保留表1-4-7微指令格式232221201913-1514-1211-93-65-0M23CNWKRDI0MS3-SOA字段B字段C字段UA5-tA0(3)

7、指令系統(tǒng)表1-4-8指令描述計算機組成原理課程設(shè)計報告3-7 -(4)指令譯碼原理IEI佝(5)寄存器譯碼原理|LDRi>ocRD_EHglgRS_BCCSE1CE3圖1-4-2指令譯碼原理圖Y1I0NAlYfflIN01Y12NA2Y13NB2Y20NGINY21NG2NY22N¥23 N2:4 DECODER74139Y10,NA1Y11NB1Y12)NA2Y13NB2Y20NI GINY21N1 G2NY23NY23N74139A0D313LDROLDR1LDR2-：nRI B2:4 DECODER圖1-4-3寄存器譯碼原理圖LDR3RO BRI_BR2 BR3_B計算機

8、組成原理課程設(shè)計報告(6)二進制代碼表表1-4-9二進制代碼表地址十六進制成示高五位S3-S0A寧段B寧段c字段UA5-UA00000 00 010000000000000000000000010'100 GD 43000000000110LLOWL0000110310 70 70OOO'IO0000111000001110000CH'00 21 05000000000Ol'Ooil0000001010501 B2 01MOOO1001'Oil001000OOOOOl0600 34 07CKXWO0000010O'll0000001110701

9、32 01000000010oil001000000001OS10 60 0900010000011000000000100109IS 30 01000110000on000000000001QA10 60 10MOW0000no0000000100000500 00 QI（XWOOQOOQOO000000WOOOloc10 30 01000100000oil000000000001OD20 06 01001000000000001100000001OE'00 53 41CKXWO0000101001101000001OF00 00 CB000000000000000oil001011

10、1023 04 010010100000000100000000011110 30 01000100000oil000000ooooai1206 B2 01000001101oil00100000000113'00 21 11000000000Ol'OO'll0000101001405 B2 01MOOO1011'Oil001000OOOOOl1500 34 16000000000010O'll000monoIG01 B2 01000000011oil0010000000011700 24 IS000000000010O'll0000110001

11、8'02 B2 01000000101oil001000000001IB'00 53 41000000000I'Ol001101OCOOOlIC10 10 ID00010000000100000001 HOIID10 60 3C000100000110000010001100IE10 60 IF（KK）100000110000000011111IF10 10 20000100000001000000lOOOOO2010 60 SCMOil'O0000110000010'OOllOO2S10 10 29io00000010000001010012900 2

12、S 2A0000000000101000001010102A01 E： 2D000001001no0010001010112B04 92 SC0000010010010010100011002C10 10 2D'MOl'O0000001000000101101表1-4-10二進制代碼表（續(xù)）2D00 2C ?E0000000000101100001011102E04 E2 2F00000lOGlno001000toil112F01 92 SC0000010010010010100011003000 16 04000000000001oil0000001003100 16 060

13、00000000001on0000001103200 6D IS000000000110110101001 ooo3300 6D 4A00000oow110110101001010'3-100 31 01000000000oil0100000000013500 00 3500000OOCK)0000000001101013600 6D 51000000000nono101OLOOOl3700 16 12000000000001on0000100103S00 16 13000000000001oil0000100113900 16 15000000000001oil0000101013A

14、00 16 n000000000001on000OlOlll3B00 00 0100000OOCK)000000000OOOOOl3C00 6D 5C0000000001101101010111003D00 &D 5E000000000no1101010111103E00 en 6S000000000110110101101 ooo3F00 6D 6C0000000001101101011011001.5主要工作內(nèi)容（1）（2）（3）（4）（5）（6）數(shù)據(jù)格式、尋址方式、指令系統(tǒng)設(shè)計； 微指令、微程序設(shè)計；操作流程、操作時間表設(shè)計；模型機總體邏輯電路設(shè)計（包括：運算器、存儲器、微程序控

15、制器） 模型機整機連線、調(diào)試；按自行設(shè)計的模型機指令系統(tǒng)，編制程序，驗證其正確性和合理性。2.1設(shè)計儀器PC機一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套，排線若干。2.2設(shè)計內(nèi)容在此次課設(shè)中，設(shè)計內(nèi)容的實驗將在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控 制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。(1) 微程序設(shè)計非指令、自減指令、左移指令、異或指令與同或指令的設(shè)計(2) 程序設(shè)計乘法程序指令的設(shè)計-41 -3. 詳細設(shè)計3.1課程設(shè)計步驟(1)連接實驗線路n.mALI EJALiAprr甲疋 I ALL. E!l7I血12r.nii曲HUVMPrVWVB1411I-DfliOKI-F<l>r<3f>RDE

16、5IKI<nF7E弋1哥fVT?fflmr?IOlLunsmLAII!i.orIf帽IJWfPf_pHTI«RA?ATI一血 -g-HL- - -nj-dO-i.(wrUMPPCTC7flHIAK唯 /Lcr圖3-1-1實驗接線圖(2)用實驗指導(dǎo)手冊上提供的例子進行調(diào)試;/#* Start Of Main Menory Data eo ei 02B304B&0607ese?BA OS oc ei>OEOF101112131415161718191fl1B1C60$P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $

17、P $P $P $P $P $P Sp Sp $P $P $P $P $PPPPPPPPP123456780 0$P$P$P$P$P696A6B6C6D6E2a 00 61 0F 1461 QB FD166260ceeaBD72A3 01 8CF0 14 EB QBD17D3440 EB 00 5Q ei02030405Q«07QBQ9QA QB QCOD OEOF;/#*«*«* /start： in R0,00H從和 單元讀入計數(shù)初值R1,BFH立即數(shù)QFH送R1阿M OlRB低四位Ri>0aH裝A和初值00Hresult計數(shù)值為0則跳轉(zhuǎn)R2-6OH饃入

18、數(shù)據(jù)始地址LOOP： LftD R3,R1.0OH從MEM讀入數(shù)據(jù)送義址尋址，偏移量為00«LDTANDLDTLDIADDINCLDIsueBZCR1,R3RI 變±lR3,eiH,扌旨向下一數(shù)據(jù)Re*R3result相減為尅，表示求和完畢Loap未完則繼續(xù)RESULT: STA 7BH,R1 和存于 MEM 的了 0H 單元OUT 40H,R1卻在OUT單元顯示JMP STftRT 跳轉(zhuǎn)至SIARTHLI停機數(shù)據(jù)JMPEnd Of Main Menoru Data *»*/圖3-1-2累加程序(調(diào)試指令)OS aoeaeiNOP01 0加D卻3PC->AR

19、, PC 力03 1 07070MEM-MR, PG04 00240HS->B05 a即B2B1A 力qB->RD06 002407RS->B07 0132 01A 與B-ARDQ8 10600QMEI1->AR09 1830B1IO-RDOA 106010MEN->nRQB oooeeiNOPOC 103001HEM->RDQD zoe6 B1RD-HEM0E 005341A->PCOF oeoecBNOP, P<3>IS 280401R£->1011 103001MEI1->RD12 06B2eiA 力qi->

20、;RD13 002414RS->B14 a5B2eiA 減B->RD15 002416RS->B16 01B2eiA 或B->RD17 002418RS->BIS a2B2B1A右環(huán)移-RDIB 005341A->PC1C 101O1DID 106a8CIE 1B6 01FMEM->ftRIF 101 020MEN->A20 ie6oecMEM->AR, P<2|28 10102929 00282ARJ->B2A 04E22BA 加B-MR2B Q492eCA 力qB->A, P<2>2C 1B1O2DZD 0

21、e2C2EPC->B2E 04E22FA 力QB->AR2F aii92gCA 加B-P<2>3Q aB16B4RD->n31 0016 06RD->A32 006D48PC->AR, PC 加133 aO6DliAPC->AR, PC 加彳34 003401RS->RD35 000035NOP36 006051PC->AR, PC 加*37 001612R»->A38 001613RD->A39 Oei61SRD->A3A 001617H»->A3B aoeoBiNOP3C 0加D5CPC

22、->AR, PC 加13D 006DSEPC->AR, PC 卽13E 006068PC->AR, PC 加*3F 0B6D6CPC->flR, PC 力中Microcontroller Data:/* start Of Microcontroller Data */$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$MSM$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$H$M$M$M$M$M5M$M$M$M$H$M$M$M$H$M*/:/* End Of圖 3-1-3微程序調(diào)試?yán)?3) 確定設(shè)計目標(biāo)確定所設(shè)計計算機的功能和用途。確定指令系統(tǒng)(5)確定總體結(jié)構(gòu)

23、(寄存器、加法器、選擇器的設(shè)置與數(shù)據(jù)通路的設(shè)計)(6)設(shè)計指令執(zhí)行流程確定微程序地址微指令代碼化(9)編寫工作程序并代碼化(10)調(diào)試，驗證其正確性和合理性3.2數(shù)據(jù)通路框圖-百卜:fTT3”卜一 FC曲TTAA =0(+%T1'1 cn1匕-心tLEER3_t#RD bv .丨4- 就=I»<TTJm_u*RI =:砍r；3 =冷H_EI牡p?=«1 1A 中1 T4T4CROL.CRI4R2LDR5T： Wloyo二 I DVTF IDV?R IDYliMm'+1tID=CMFWOZWnwvDR#L匚心T3ifl-vflLUR#n I iDRWPO

24、MIN =JIMNRfl VWTff lOR* lOWWIrfTA#IMTPIJVV#I10*1ui n-=圖3-2-1數(shù)據(jù)通路框圖非)3.3微程序流程圖(異或 同或 左移 自減(1) 調(diào)試指令微程序流程圖UnT；0n*,-B a n；=*ip=pYio 1pn*卷-Au<ni|u ife點4古9Q 1QI«Jm1AX55L3話 耳Vr注T盲T ISrn rE7 a t Zi1S%5=*4圖3-3-1調(diào)試指令微程序流程圖(3) 異或微指令流程圖RD*ARS-BJ 1A 或 BYDiA 與 B-j非AF.LRD-BA 與 BTD1 3B丄01(2) 同或微指令流程圖3BRD-A；

25、1RS-SA 與 E-RDJ :A 或 BrA非AAJ :RD-BJ :A或日f RD I901圖3-3-2同或微指令流程圖圖3-3-3異或微指令流程圖(4) 左移微指令流程圖、_Ji_d01(5) 自減微指令流程圖圖3-3-4左移微指令流程圖(6) 非微指令流程圖3B圖3-3-5自減微指令流程圖圖3-3-6非微指令流程圖3.4程序流程圖(乘法程序)(1)程序流程圖02R2 異或 R3 T R3I3.5乘法程序設(shè)計(1)實驗程序如下:圖3-5-1乘法指令1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27

26、.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.$P 00 20 ; IN RO$P 01 00$P 02 21 ; IN R1$P 03 00$P 04 62 ; LDI R2,10H$P 05 10$P 06 4B ;$P 07 12 ;$P 08 17 ;$P 09 D2 ; STA R2-70H$P 0A 70$P 0B D3 ; STA R3-71H$P 0C 71$P 0D 62 ; LDI R2 ，$P 0E 0F$P 0F 4B ; MOV R3，$P 10 12 ; R0_R2-R2$P 11 17 ; R1_R3-R3$P 12 60 ; LDI

27、R0,ooH$P 13 00$P 14 D0 ; STA RO-74H$P 15 74$P 16 D2 ;將無符號的第一個乘數(shù)存到 72H$P 17 72$P 18 D3 ;將無符號的第一個乘數(shù)存到 73H$P 19 73$P 1A 60 ; LDI 01H-R0$P 1B 01$P 1C 61 ; LDI 04H-R1$P 1D 04$P 1E C2 ;從73H中取出乘數(shù)$P 1F 73$P 20 12 ; AND Ro_R2-R2$P 21 C3 ; 從72H中取出被乘數(shù)放到 R3$P 22 72$P 23 F2 ; BZC R2 當(dāng)R2為0時則轉(zhuǎn)跳到33H$P 24 2A$P 25 C2

28、 ; LAD 74H-R2(SUM)$P 26 74將第一個乘數(shù)的符號位存于70H將第二個乘數(shù)的符號位存于71H0FHR2第一個乘數(shù)的數(shù)值位第二個乘數(shù)的數(shù)值位40.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.57.58.59.60.61.62.$P 27 0E ; R2+R3-R2(SUM)$P 28 D2 ; STA R2-74H$P 29 74$P 2A 93 ; R3 左移一位$P 2B D3 ; R3 存入 72H$P 2C 72$P 2D 00 ; R0+R0-R0$P 2E A1 ; R1-1-R1$P 2F F1 ; BZC 判

29、斷R1是否為0,為0則跳轉(zhuǎn)到3C$P 30 33$P 31 E0 ; JMP-27H$P 32 1E$P 33 C2 ;將乘數(shù)符號位存到$P 34 70$P 35 C3 ;將乘數(shù)符號位存到$P 36 71$P 37 BB ; R2 或R3異或存于$P 38 C0 ; LAD 74H(SUM)-R0$P 39 74$P 3A F3 ; BZC R3 是否為 0,$P 3B 3E$P 3C 81 ; R1-Ro$P 3D 44 ; R1-R0R2R3R3為0則跳到49HR11.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.(2)實驗微指令如下:圖3-5-2乘法微指令$M

30、 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 力卩 1$M 03 107070 ; MEM->IR, Pv1>$M 04 002405 ; RS->B$M 05 04B201 ; A 與 B->RD$M 06 002407 ; RS->B$M 07 013201 ; A 與 B->RD$M 08 106009 ; MEM->AR$M 09 183001 ; IO->RD$M 0A 106010 ; MEM->AR$M 0B 000001 ; NOP$M 0C 103001 ; MEM->RD$

31、M 0D 200601 ; RD->MEM$M 0E 005341 ; A->PC$M 0F 0000CB ; NOP, Pv 3>$M 10 280501 ; RS->IO17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.57.58.59.60.$M 11 103001 ; MEM->RD$M 12 06B201 ; A 力卩 1->RD$M 13 002414 ; R

32、S->B$M 14 05B201 ; A 減 B->RD$M 15 002416 ; RS->B$M 16 01B201 ; A 或 B->RD$M 17 002418 ; RS->B$M 18 02B201 ; A 右環(huán)移->RD$M 18 005341 ; A-> PC$M 1C 10101D ; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, Pv 2>$M 1E 10601F ; MEM->AR$M 1F 101020 ; MEM->A$M 20 10608C ; MEM->AR, P <2

33、>|$M 28 101029 ; MEM->A$M 29 00282A ; Rl->B$M 2A 04E22B ; A 力卩 B->AR$M 2B 04928C ; A 力卩 B->A, P<2>$M 2C 10102D ; MEM->A$M 2D 002C2E ; P C->B$M 2E 04E22F ; A 力卩 B->AR$M 2F 04928C ; A 力卩 B->A, Pv2>$M 30 001604 ; RD->A$M 31 001606 ; RD->A$M 32 006D48 ; P C->

34、AR, PC$M 33 006D4A ; P C->AR, PC$M 34 003401 ; RS->RD$M 35 000035 ; NOP$M 36 006D51 ; P C->AR, PC$M 37 001612 ; RD->A$M 38 001613 ; RD->A$M 39 001615 ; RD->A$M 3A 001617 ; RD->A$M 3B 000001 ; NOP$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 力卩 1$M 03 107070 ; MEM->IR, Pv1>

35、$M 04 002405 ; RS->B$M 05 04B201 ; A 與 B->RD$M 06 002407 ; RS->B$M 07 013201 ; A 與 B->RD$M 08 106009 ; MEM->AR$M 09 183001 ; IO->RD$M 0A 106010 ; MEM->AR61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.84.85.86.87.88.89.90.91.92.93.94.95.96.97.98.99.100.101.1

36、02.103.104.$M OB 000001 ; NOP$M 0C 103001 ; MEM->RD$M 0D 200601 ; RD->MEM$M 0E 005341 ; A->PC$M 0F 0000CB ; NOP, Pv 3>$M 10 280501 ; RS->IO$M 11 103001 ; MEM->RD$M 12 06B201 ; A 力卩 1->RD$M 13 002414 ; RS->B$M 14 05B201 ; A 減 B->RD$M 15 002416 ; RS->B$M 16 01B201 ; A 或 B

37、->RD$M 17 002418 ; RS->B$M 18 02B201 ; A 右環(huán)移->RD$M 18 005341 ; A-> PC$M 1C 10101D ; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, Pv 2>$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 ; Rl->B$M 2A 04E22B ; A 力卩 B->AR$M 2B 04928C ; A 力卩 B->A, Pv2>$M 2C 10102D ; MEM->A$M 2D 002C2E ; P C->B$M 2E 04E22F ; A 力卩 B->AR$M 2F 04928C ; A 力卩 B->A, P<2>$M 30 001604 ; RD->A$M 31 001606 ; RD->A$M 32 006D48 ; P