計算機組成原理課程設計-簡單模型機的微程序設計

1、課 程 設 計 報 告課程名稱： 計算機組成原理 系 別： 姓 名： 班 級： 學 號： 成 績： 指導教師： 開課時間：20 -20 學年 第 學期一設計題目計算機組成原理課程設計簡單模型機的微程序設計二主要內容通過課程設計更清楚地理解下列基本概念：1.計算機的硬件基本組成；2.計算機中機器指令的設計3.計算機中機器指令的執(zhí)行過程；4.微程序控制器的工作原理。5.微指令的格式設計原則；在此基礎上設計可以運行一些基本機器指令的微程序的設計 三具體要求置數(shù)指令 IN 置數(shù)開關SW（KD0KD7）的狀態(tài)R0加法指令 ADD R0,，(addr)：(R0)+(addr)（R0）存數(shù)指令 STA R0

2、，（addr）：(R0)（addr）輸出指令 OUT （addr）：(addr)輸出設備LED跳轉指令 JMP （addr）：addrPC 或指令OR RD，RS：(RS)或(RD)(RD) 新加法指令 NADD (addr1)，(addr2)：(addr1)加(addr2)(RD) 異或指令XOR (addr1)，(addr2)：(addr1)異或(addr2)(RD) 與指令AND RD，RS：(RS)與(RD)(RD) 求反指令 NOT RD：/(RD) （RD） 四進度安排 共1.5周11天的時間，具體安排如下： 12天：對整個課程設計的內容做詳細的講解，并輔導學生完成課程設計指導書的

3、學習，使其掌握和理解課程設計的核心內容； 3 5天：學生在機房學習熟悉課程設計所使用的仿真軟件，并深入了解該仿真軟件所實現(xiàn) 的模型機的指令系統(tǒng)（原有的5條指令）和微程序設計方法； 69天：在原有5條機器指令的基礎上增加實現(xiàn)下述各功能的機器指令，試設計相應的機器指令的格式并改寫原來的微程序使其可以運行所有的機器指令。 1011天：根據(jù)自己設計的微程序系統(tǒng)寫出相應的課程設計實驗報告 五成績評定 六. 正文 一、模型機的CPU及系統(tǒng)硬件 基本模型機的CPU及系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：圖1 模型機的CPU及系統(tǒng)硬件組成 各部件的功能及控制信號如下： 運算器由算邏部件ALU（8位）、暫存器DR1、DR2及

4、通用寄存器等組成。ALU的功能控制信號為 S3、S2、S1、S0、M、CN，可以實現(xiàn)48種算術和邏輯運算功能，如圖2所示。 運算器為單總線結構，其輸入端分別連接到暫存器DR1和DR2，其裝入數(shù)據(jù)的微命令分別為LDDR1和LDDR2，當它們?yōu)?電平時由節(jié)拍脈沖T4將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)裝入相應的暫存器。R0、R1、R2為通用寄存器。R0的裝 入數(shù)據(jù)的微命令為LDR0，R1的裝入數(shù)據(jù)的微命令為LDR1，R2的裝入數(shù)據(jù)的微命令為LDR2。299為實現(xiàn)移位運算的裝置，當299B微命令有效時，其數(shù)據(jù)端和數(shù)據(jù)總線連接。 控制器由程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR、時序電路、控制存儲器及相應的譯碼電

5、路組成。 程序計數(shù)器PC的功能是存放下一條指令的地址，其輸出是向地址寄存器提供要將執(zhí)行的指令在存儲器中的地址。在提供地址后立即加1，指向指令的下一個字節(jié)或下一條指令的地址。其控制微命令有三個。當LOAD=0而LDPC=1時，由T4的正跳變將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)裝入PC；當當LOAD=1而LDPC=1時PC的內容加1；當PCB=1時，PC中的地址信息送到數(shù)據(jù)總線上。 指令寄存器IR用于存放當前執(zhí)行的指令。當微命令LDIR=1時，由節(jié)拍脈沖T3將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)裝入。 地址寄存器AR存放要從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)或指令的地址或要向存儲器寫入數(shù)據(jù)或指令的地址。 當微命令LDAR=1時，由節(jié)拍脈沖T3將數(shù)據(jù)總

6、線上的數(shù)據(jù)裝入。 存儲器RAM用于存放程序和數(shù)據(jù)。當片選信號CE=0時，如果W/R為0，則根據(jù)AR中的地址，從存儲器讀出 數(shù)據(jù)并送到數(shù)據(jù)總線上；如果W/R為1，則根據(jù)AR中的地址，向存儲器中寫入數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。片選信號 CE是由微指令中的有關字段（B1B0）譯碼產生的。 模型機有兩個外部設備：輸入設備是置數(shù)開關SW，用于設置數(shù)據(jù)或地址，當微命令SWB=0時，設置的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上；SWB也是由微指令中的有關字段（B1B0）譯碼產生的。輸出設備是兩位LED數(shù)碼管，當微命令LEDB=1時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示。 二、基本模型機的指令設計 根據(jù)基本模型機的硬件設計五條機器指令：外設輸入

7、指令IN、二進制加法指令ADD、存數(shù)指令STA、輸出到外設指令OUT、 無條件轉移指令JMP。指令格式如下： 助記符 機器指令碼說明 IN 0000 0000 ； 置數(shù)開關SW（KD0KD7）的狀態(tài)R0 ADD addr 0001 0000 ； (R0)+(addr)（R0） STA addr 0010 0000 ； (R0)（addr） OUT addr 0011 0000 ； (addr)輸出設備LED 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制地址碼。 三、指令微流程分析 這十條指令的微流程圖如

8、圖所示運行微程序RDDR2RAMBUSBUSAR0CNOTR0DR1R0DR1PCARPC+1PCARPC+1RSDR101RAMBUSBUSPC16PCARPC+101DR1LED15RAMBUSBUSDR114RAMBUSBUSAR13PCARPC+1R0BUSBUSRAM12RAMBUSBUSAR11PCARPC+1(D1+DR2)R0100FR0DR1RAMBUSBUSDR2RAMBUSBUSARPCARPC+1010B0A09080706050403ADDXORNADDORJMPOUTSTAANDINPCARPC+1RAMBUSBUSIRP(1)測試0102SWR027251F191

9、70DRDDR2RAMBUSBUSAR求反RD20261A1801或結果RDRAMBUSBUSDR1RAMBUSBUSDR1與結果RD0E211B0101PCARPC+1PCARPC+101221CRAMBUSBUSARRAMBUSBUSAR231DRAMBUSBUSDR2RAMBUSBUSDR224011E異或結果RDDR1+DR2RD0101 用數(shù)據(jù)流表示的微程序流程運行微程序01PCBLDARLDPC02CE有效W/R=0LDIRP(1)測試NOTANDORSUBMOVJMPOUTSTAADDIN090A0B0C080706050304RSB有效LDDR1RCB LDARLDPCRDB有

10、效RSB有效LDDR1RCB LDARPC+1PCBLDARLDPCPCBLDARLDPCPCBLDARLDPCPCBLDARLDPCSWB有效LDRi110D01131617191F25 27CE有效W/R=0LDARRDB有效LDDR2CE有效W/R=0LOADCE有效W/R=0LDARALU做反運算LDRiALUBRDB有效LDDR2CE有效W/R=0LDARCE有效W/R=0LDARCE有效W/R=0LDAR12010E0114181A2026ALU做或LDRiALUBCE有效W/R=0LDDR1CE有效W/R=0LDDR1ALU做與LDRiALUBCE有效W/R=0LDDR1R0BC

11、E有效W/R=1CE有效W/R=0LDDR20F0101151B21RCB LDARLDPCRCB LDARLDPC01ALUBLEDBALU=AW/R=1R0B有效LDDR1101C22CE有效W/R=0LDARCE有效W/R=0LDAR01ALU做加LDRiALUB1D23CE有效W/R=0LDDR2CE有效W/R=0LDDR201 用微命令表示的執(zhí)行十條基本指令的微指令流程1E24ALU做加LDRiALUBALU做異或LDRiALUB0101 該圖中每個框上的數(shù)字表示該條微指令在控存中的地址（與指令格式有關，也與設計者的意愿有關）。 如何在一條微指令中實現(xiàn)一個框中的微操作與微指令的格式密

12、切相關。 五、編寫微程序 08:09:0A: 0B:0C:0D:0E:0F:10:11:12:13:14:15:16:17:18:19:1A: 1B:1C:1D:1F此后就可以手動地用開關將微程序輸入機器的控存。然后將控存的啟動地址置為0，運行微程序， 將要執(zhí)行的測試程序存入主存，也可從主存中讀出指令，檢查輸入的指令是否正確。下面是利用該軟件設計的微程序編碼及各條微指令的功能分析。注意第一條微指令的微地址為01H，其它各條微指令的微地址都由上一行文字最后的數(shù)字（16進制）指定。不難看出，上面的文字說明和我們所畫的用微命令表示的微程序流程圖中各個框中所列的微命令是一一對應的。這個微程序可以根據(jù)用

13、微命令表示的微程序流程圖在本仿真軟件上很方便地設計出來。六測試程序00H:00110000; IN R0:（SW）（R0） 01H:01000000; ADD R0,10:（RS）+（10）（RD）02H:0001000003H:01010000; STA 11,R0:（R0）1104H:0001000105H:01100000; OUT 11:11（LED）06H:0001000107H:10000001; OR RS,RD:RS或RDRD08H:10010001; NADD (addr1),(addr2):(addr1)+(addr2)RD09H:000100100AH:000100110BH:10100001; XOR (addr1),(addr2):(addr1)或(addr2)RD0CH:000101000DH:00010101 0EH:10110001； AND RS,RD:(RS)與（RD）RD 0FH:11000001； NOT RS:RS取反RD 10H:00010001 11H: 12H:00010001 13H:00010001 14H:00010001 15H:00010001七總結 經過一周左右的努力,終于完成了計算機組成原理的課程設計. 課程設計中，我對計算機的基本組成、工作原理，以及他們之間的通