计算机组成原理课程设计（论文）-模型机组成设计.doc

广东工业大学华立学院广东工业大学华立学院 课课 程程 设设 计（论文）计（论文） 课程名称 计算机组成原理 题目名称 模型机组成设计 学生学部（系） 信息与计算机学部 专业班级 08 计算机 1 班 学 号 11010801001 学生姓名 指导教师 2011 年 01 月 03 日 广东工业大学华立学院广东工业大学华立学院 课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书 一、课程设计（论文）的内容 通过对一个简单模型机的设计与实现,对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的 连接以及微指令执行的过程。 二、课程设计（论文）的要求与数据 （1）需求分析 （2）系统设计 （3）模块代码能正常运行 （4）提供合理的测试数据 （5）设计说明文档 三、课程设计（论文）应完成的工作 （1）采用模块化的程序设计方法，程序书写符合规范，代码应完善。 （2）要有运行结果和过程的界面截图。 （3）对系统进行初步的错误和漏洞检测； 题目名称 模型机组成设计 学生学部（系）信息与计算机学部 专业班级 2008 级计算机科学与技术 1 班 姓 名 学 号 11010801001 （4）根据论文规范撰写论文，用a4纸打印并按时提交。 四、课程设计（论文）进程安排 序号 设计（论文）各阶段内容 地点起止日期 1 搜集资料图书馆 10.12.10-12.14 2 需求分析图书馆 10.12.15-12.18 3 系统分析与设计图书馆 10.12.19-12.25 4 功能模块的实现图书馆 10.12.26-12.30 5 系统测试，运行宿舍 11.1.1-1.2 6 完成课程设计（论文）宿舍 11.1.2-1.3 五、应收集的资料及主要参考文献 1 蒋本珊 主编.计算机组成原理（第二版）m. 北京：清华大学出版社. 2002 2 胡越明 .计算机组成与系统结构 电子工业出版社 3 白中英 主编.计算机组成原理 科学出版社 4 文哲蓉 苟平章.计算机组成原理实验指导及习题解答 甘肃教育出版社 发发出任出任务书务书日期：日期： 2010 年年 12 月月 10 日日 指指导导教教师签师签名：名： 计计划完成日期：划完成日期： 2011 年年 1 月月 3 日日 目录目录 1 1 . .引言引言1 1 1.1 设计目的1 1.2 设计意义.1 1.3 设计内容1 2 2 . .设计过程分析与实现设计过程分析与实现2 2 2.1 模型机结构2 2.2 指令编码3 2.2.1数据格式.3 2.2.2指令格式.3 2.2.3指令系统.4 2.3 微程序4 2.4 应用程序7 2.5 接线图8 3 3 . . 调试及结果分析调试及结果分析9 9 结论结论1010 参考文献参考文献1111 1 1 .引言引言 1.1 设计目的设计目的 通过对一个简单模型机的设计与实现,对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的 连接以及微指令执行的过程。 1.掌握整机动态工作过程 2.了解微程序控制器的设计，构建指令系统 3.组建模型机，编写应用程序进行调试 1.2 设计意义设计意义 本课程设计为学生提供了一个既动手又动脑，自学，查资料，独立实践的机会，也 为将来设计程序积累一定的宝贵经验.让我们将本学期课本上的理论知识和实际有机的结 合起来，锻炼实际分析问题和解决问题的能力。 1.3 设计内容设计内容 1、设计指令系统 2、编写微程序 3、实验接线 4、编写应用程序，选择实现下列要求的一种功能 （1）输入两个一位十进制数，计算两数之和，并以bcd码输出 （2）输入一个一位十进制数，将其扩大5倍后以bcd码输出 （3）输入一个两位十进制数，求其负值的补码 （4）输入一个两位十进制数，输出八进制结果 （5）输入几个数，统计大于10的数的个数 （6）输入几个数，找出最大数 2 2 .设计过程分析与实现设计过程分析与实现 2.1 模型机结构模型机结构 图1 模型机结构框图 图1中运算器alu由u7u10四片74ls181构成，暂存器1由u3、u4两片74ls273构成，暂存 器2由u5、u6两片74ls273构成。微控器部分控存由u13u15三片2816构成。除此之外，cpu 的其它部分都由ep1k10集成（其原理见系统介绍部分）。 存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为 00hffh。 输出设备由底板上的四个led数码管及其译码、驱动电路构成，当d-g和w/r均为低电平时将 数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态传输 芯片74ls244构成，当dij-g为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方 式下，数据可由键盘或串口输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入 电路可以不用。 3 2.2 指令编码指令编码 2.2.1 数据格式数据格式 本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下： 其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768x32767。 2.2.2 指令格式指令格式 （1）算术逻辑指令 设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下： 其中op-code为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定： op-code011110001001101010111100110111101111 指令 clrmovaddsubincandnotrorrol rs或rd选定寄存器 00ax 01bx 10cx 9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。 （2）存储器访问及转移指令 存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符mov，但其操作码不同。转移 指令只有一种，即无条件转移（jmp）。指令格式如下： 7 65 43 21 0 00mop-coderd d 其中op-code为操作码，rd为寄存器。m为寻址模式，d随m的不同其定义也不相同，如下表 所示： op-code000110 指令说 明 写存储 器 读存储 器 转移指 令 寻址模式m有效地址ed定义说 明 00 e=（pc）+1立即数立即寻址 1514 13 0 符号尾数 7 6 5 43 21 0 op-codersrd 4 10e=d 直接地址直接寻址 11e=100h +d 直接地址扩展直接寻址 注：扩展直接寻址用于面包板上扩展的存储器的寻址。 （3）i/o指令 输入（in）和输出（out）指令采用单字节指令，其格式如下： 其中，当op-code=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当op- code=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。 2.2.3 指令系统指令系统 有14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指 令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。 表1 指令格式 汇编符号指令的格式功 能 mov rd，rs 1000 rs rdrsrd add rd，rs 1001 rs rdrs+rdrd sub rd，rs 1010 rs rdrd-rsrd inc rd1011 rd rdrd+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 机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址 上的指令传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行 p1 测试，根据 指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址， 这就是“译码”过程。然后才顺序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。 6 结合微程序流程图中需要完成的功能和对由四片 74ls181 芯片所组成的算术逻辑单元 alu 的控制条件测试等的理解和认识，我们得到完整微指令表如下： 微代码表 7 微地址（八进 制） 微地址（二进 制） 微代码（十六 进制） 00000000007f88 01000001005b42 02000010016ffd 06000110015fe5 07000111015fe5 10001000005b4a 11001001005b4c 12001010014ffbc1 1400110001cffc 20010000005b65 22010010005b47 23010011005b46 24010100007f15 2501010102f5c1 27010111018fc1 300110000001c1 310110010041ea 320110100041ec 330110110041f2 340111000041f3 350111010041f6 360111103071f7 370111113071f9 401000000379c1 41100001010fc1 42100010011f41 45100101007f20 521010100029eb 531010119403c1 541011000029ed 551011016003c1 621100100003c1 631100110029f5 65110101b803c1 661101100803c1 67110111207df8 70111000000dc1 71111001107dfa 72111010000dc1 7311101106f3c8 74111100ff73c9 75111101016e10 8 2.4 应用程序应用程序 1： 实现的是输入一个一位十进制数，将其扩大 5 倍后以 bcd 码输出的功能，设计思 路为：扩大 5 倍，用 bcd 码输出要进行修正，修正值为 10 的倍数6 设输入值为 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 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+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： 实现输入一个两位十进制数，求其负值的补码 设计思路： 十进制数要先转换为 2 进制 设数为 x，十位数为 t，个位数为 z m=t1 n=m+m2 +z 9 将 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 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 接线图接线图 图 2 实验连线图 3 . 调试及结果分析调试及结果分析 1.实验过程中遇到的错误及解决办法： 10 发现错误：验证机器指令时，填入一个指令地址，读出的指令代码跟正确的指令地址不对 应。 解决错误：主存储器电路上有一条线没有接上，接上后验证结果正确。 2.数据测试与结果： （1）测试数据：1 结果：0005 （2）测试数据：6 结果：0018 测试其它数据也得到了相应的正确结果。 3.结果分析： 编写正确的微程序，和正确的机器指令，再验证无误后，即可测试输入一个一位十进制数， 将其扩大 5 倍后以 bcd 码