计算机硬件复杂模型机课程设计.doc

计算机硬件课程设计复杂模型机设计目录一、程序设计21、设计目的.22、设计内容.2二、设计原理.21、机器指令系统设计.22、微操作流程图设计53、微程序设计6三、验证程序6四、心得体会9一、程序设计1、实验目的： 搭建一台8位模型机，指令系统要求有10条以上，其中包括运算类指令、传送类指令、控制转移类指令、输入输出指令、停机指令等。2、设计内容1）确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用途。 2）确定指令系统：确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。 3）确定总体结构与数据通路：总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构，列出各种信息传送路径以及实现这些传送所需要的微命令。 4）设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度。 5）确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每条微程序地址及分支转移地址。6）根据微指令格式，将微程序流程中的所有微操作进行二进制代码化，写入到控制存储器中的相应单元中7）组装、调试：在总装调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。二、设计原理1、机器指令系 1）数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0符号尾 数 2）指令格式模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指和停机指令。1 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODErsrd其中，OPCODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：rs或rd选定的寄存器000110R0R1R29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2 访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令存数（STA）和取数（LDA），2条转移指令无条件转移（JMP）和结果为零或有进位转移指令（BZC），这4条指令长度为2个字节，其指令格式为：D7 D6D5 D4D3 D2D1 D00 0MOPCODErdD其中，OPCODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为偏移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明00011011EDE（D）E（RI）DE（PC）D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。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：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODEaddrrd其中，addr01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码块作为输出设备。4 停机指令指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0OPCODE0000HALT指令用于实现停机操作。3）、所设计的机器指令列表RAM地址助记符指令码说明OX00IN R00000 00 00INPUTR0OX01INC R00001 00 00R0+1-R0OX02MOV R0,R10010 00 01R0-R1OX03LOAD X，R20011 00 10INPUT-R0OX040010 0101地址为25的内存单元OX05SUB R1,R00100 01 00R1-R0-R0OX06ADD R1,R00101 01 00R0+R1-R0OX07MOV 0FH,R10110 00 010FH-R1OX080000 11 11立即数0FHOX09OR R1,R00111 01 00R1 OR R0-R0OX0AOUT R01000 00 00OUTPUT-R0OX0BJMP 02H1001 00 0002H-PCOX0C0000 00 10立即数02H2、微操作流程图设计3、微程序设计1）微指令代码ROM地址S3S0M Cn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三、验证程序1）代码写成十六进制如下示：机器指令代码：$P0000$P0110$P0221$P0332$P0425$P0544$P0654$P0761$P080F$P0974$P0A80$P0B90$P0C02微指令代码：$M00018001$M0101ED82PCAR,PC+1$M0200C050 RAMBUS,BUSIR, $M10001001INPUT-R0$M1101A420R0BUS,BUSDR1$M20058143$M03019B41(DR1)+1-R0$M12019201R0BUS,BUSR1$M1301ED84PCAR,PC+1$M0400E145RAMBUS,BUSAR$M05009001ARBUS,BUSR0$M1401A406R0BUS,BUSDR1$M0601B207R1BUS,BUSDR2$M07619A01(DR1)-(DR2)R0$M1501A209R1BUS,BUSDR1$M0901B40AR0BUS,BUSDR2$M0A959A01(DR1)+(DR2)-R0$M1601ED8BPC-AR,PC+1$M0B009001RAM-BUS,BUS-R1$M1701A40CR0BUS,BUSDR1$M0C01B20DR1BUS,BUSDR2$M0DE99A01DR1+DR2R0$M18070201R0-OUTPUT$M1901ED8EPCAR,PC+1$M0E00D181RAMBUS,BUSPC2）实验结果图：四、心得体会姓名：张君学号：0906840244这次实验完成的是基于微程序的复杂模型机的设计，使我在学习过计算机组成原理、微机系统等课程后，得以将所学的知识简单地应用到具体的实验操作中，不仅进一步加深了对书本知识的理解和掌握，而且锻炼了实际操作应用技能。我具体有以下收获和体会： 深刻理解了机器指令和微指令的区别于联系。每一条机器指令都被微指令分析器分析后转化为几条对应的微指令执行，而且这种执行对于程序员来说是透明的。这就使我们深刻理解了计算机底层的工作方式。个人感觉本次实验如何根据设计好的机器指令编写出对应的微指令是难点。于是实验的前期我们花了很大一部分时间用于熟悉微指令的格式以及用法。由于时间有限，在控制转移指令中只实现了用P(1)无条件跳转，没有实现条件转移。最有价值和最有意思的环节是调试。由于微程序格式中对应的位是自己主观想出来的，所以必须经受实际的检验。与试验台配套的软件可视化地模拟了每一条微指令的执行过程，直观地显示出来。我们不断地仔细观察指令执行与我们之前画的微指令流程图是否一致。有时候数据流的流动会莫名其妙，我们不断地修改微指令的对应功能位，不断尝试对比不同的执行效果，最终解决了问题。通过这次实验我收获了很多，但同时也暴漏出不少问题。比如根据设计好的指令系统如何设计出有一定意义的指令，如何设计出更复杂的寻址方式的指令，条件控制更复杂的指令等。希望以后可以有更多的机会进行实验，使我的硬件设计水平不断提高。姓名：林棋 学号：0906840225对试验台的芯片进行连线组合是进行实验最基础的一步。然而想正确地完成连线并非易事，连线出错后寻找错误就显得更加困难。通过这次实验我学会了用软件对连好的线路进行检测，并根据报错的内容和类型对错误的连线及时纠正，这耗费了大量的时间，不过保证了后续实验的正确性。当时我们组发现的错误是6116存储芯片坏掉了，老师帮忙换了一块芯片以后，问题马上解决了。 在编写指令的时候也遇到了一些问题，比如说做减法的时候，用