复杂模型机的组成与运行实验报告.doc

内蒙古师范大学计算机与信息工程学院 计算机组成原理计算机组成原理 课程设计报告课程设计报告 题目十五题目十五: :复杂模型机的组成与运行复杂模型机的组成与运行 姓姓 名名刘玉华刘玉华 学学 号号 2010110384620101103846 班班 级级1010计科汉师范班计科汉师范班 指导教师指导教师 侯宏霞侯宏霞职称职称 教师教师 日日 期期20132013年年7 7月月7 7日日 1 目目 录录 1 任务描述任务描述.2 1.1 题目名称2 1.2 要 求.2 1.3 实验目的2 2 设计设备设计设备2 3 设计原理和方法设计原理和方法2 3.1 设计原理2 3.1.1 数据格式2 3.1.2 指令设计2 3.1.3 指令格式3 3.1.4 指令系统4 3.2 设计依据5 3.2.1 详细设计5 3.3.2 实验操作7 4 代码代码清清单单8 4.1 微程序流图8 4.2 机器指令代码9 4.3 微程序代码10 5 设计运行结果分析设计运行结果分析12 5.1 实验结果：12 5.2 出错情况：12 6 设计小结设计小结12 7致谢致谢.13 8参考文献参考文献.14 附录一：数据通路框图附录一：数据通路框图15 附录二：复杂模型机实验电路连线图附录二：复杂模型机实验电路连线图16 2 题目五题目五 复杂模型机的组成与程序运行复杂模型机的组成与程序运行 11 任务描述任务描述 1.11.1 题目名称题目名称：复杂模型机的组成与程序运行 1.21.2 要要 求求：基于 TD-CMA 计算机组成原理教学实验系统，设计一个复杂计算机整机系 统模型机，分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设 计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。 START: IN R0,00H ；从 IN 单元读入计数初值 LDI R1,0FH ；立即数 0FH 送 R1 AND R0,R1 ；得到 R0 低四位 LDI R1,00H ；装入和初值 00H BZC RESULT ；计数值为 0 则跳转 LDI R2,60H ；读入数据始地址 LOOP: LAD R3,RI,00H ；从 MEM 读入数据送 R3，变址寻址，偏移量为 00H ADD R1,R3 ；累加求和 INC RI ；变址寄存加 1，指向下一数据 LDI R3,01H ；装入比较值 SUB R0,R3 BZC RESULT ；相减为 0，表示求和完毕 JMP LOOP ；未完则继续 RESULT: STA 70H,R1 ；和存于 MEM 的 70H 单元 OUT 40H,R1 ；和在 OUT 单元显示 JMP START ；跳转至 START HLT ；停机 1.31.3 实验目的实验目的：该实验通过从端口 00H 读入一个计数初值，以该计数初值为基准从 MEM 的 50H 单元开始的连续的计数初值个数的累加和，最后将求得的累加和从端口 40H 输出显示。 2 2 设计设备设计设备 实验设备：西安唐都科教仪器公司生产的TD-CMA 实验系统一套，PC机一台，数据连接 导线若干，电源。 3 3 设计原理和方法设计原理和方法 通过已经学过的计算机组成原理知识，在TD-CMA实验系统上设计一个复杂模型机。 3 3.13.1 设计原理设计原理 3.1.13.1.1 数据格式数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为位，8 位全用来表示数据（最高 位不表示符号），数值表示范围是： 0X281。 3.1.23.1.2 指令设计指令设计 该复杂模型机设计包含运算类指令、控制类指令、数据传输类指令三大类指令。 运算类指令仅用到了算术运算，算术运算设计有3 条运算类指令，分别为：ADD（两寄 存器值加法）、INC（寄存器值自加1）、SUB（两寄存器值减法）。所有运算类指令都为单 字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。 控制转移类指令有三条HLT（停机）、JMP（无条件跳转到指定的指令地址）、BZC（判 断寄存器内容是否为0，为0则跳转到指定的指令地址），用以控制程序的分支和转移，其 中HLT为单字节指令，JMP 和BZC 为双字节指令。 数据传送类指令有IN、OUT、LDI、LAD、STA 共5 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存 器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，均为双字节指令。 3.1.33.1.3 指令格式指令格式 A、算术逻辑运算指令格式如下格式如下 其中RS为源操作数寄存器，RD为目的操作数寄存器。并且规定了用两位二进制数来表 示R0、R1、R2、R3寄存器，规定其表示方式如下表所示： B、I/O指令格式（IN和OUT指令）如下 7 6 5 4 3 21 0 操作码 RSRD RS或RD对应的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 4 其中括号中的1 表示指令的第一字节，2 表示指令的第二字节， RS为源寄存器，RD 为目 的寄存器， I/O 端口号占用一个字节。 C、访问指令及控制转移指令格式如下： a、 LDI 的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。 b、LAD、STA、JMP 和BZC 指令格式如下表所示： 其中M 为寻址模式，具体见表3-1-1所示，以R2 做为变址寄存器RI。 表3.1.1 寻址模式说明表 寻址模式 M有效地址 E说 明 00E = D 直接寻址 01E = (D) 间接寻址 10E = (RI) + D RI变址寻址 11E = (PC) + D 相对寻址 D、停机指令格式如下 7 6 5 4 3 2 1 0 操作码* * * 3.1.43.1.4 指令系统指令系统 本模型机共有 11 条基本指令，其中算术逻辑运算单元3条，分别为SUB、ADD、INC.控制转 移指令两条，分别为JMP、BZC.输入输出指令两条，分别为IN和OUT。寻址数据转移指令两 条，分别为LDI、LAD。停机指令一条，为HALT.表3-1-2 列出了各条指令的汇编符号、指令 格式及指令功能说明。详细说明见表3.1.2。 7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码 RSRD I/O端口号 7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码 RSRD Data 7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码 MRD D 5 表3.1.2 指令描述 表3.1.2 指令描述 3.23.2 设计依据设计依据 该复杂模型机通过已经学过的计算机组成原理知识，根据提供的实验箱，设计出了相 应的机器指令，根据机器指令，由各种译码电路分析各条机器指令所要完成的工作，翻译 分析得到相应的多条微程序指令，由微程序控制硬件及软件完成相应的操作。其中由P(1)、 P(2)、p（3）测试得到相应的微程序入口，由微指令的低六位得到微指令的后继地址，一 直到执行完所有的机器指令完成相应的工作，到停机指令为止。 3.2.13.2.1 详细设计详细设计 由于复杂模型机实验的指令较多，寻址方式也较复杂，仅采用一种测试是不能够满足 要求的，因此参照实验手册上的指令译码电路设计了电路图，如图2二所示： 6 图二 指令译码原理图 该复杂模型机实验涉及到四个通用寄存器R0、R1、R2、R3，对寄存器的选择通过对指 令低四位进行测试，判断得到相应的寄存器号。如：涉及到寄存器R0，则可能在低两位或 者低三、四位为0表示。该功能寄存器译码电路，在IR 单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现。 译码 电路如图三所示。 图三 寄存器译码原理图 B 微指令格式微指令格式 根据机器指令系统要求，设计确定微地址。 微指令格式如下所示： 232221201918-1514-1211-98-65-0 M32CNWRRDIOMS3-S0 A字段B字段C字段 UA5-UA0 C 二进制代码表二进制代码表 参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表（表3.1.3），并将二进制代 7 码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。 表3.1.3 二进制代码表 8 3.3.23.3.2 实验操作实验操作 A 复杂模型机系统实验连线图复杂模型机系统实验连线图（见附录一）（见附录一） 该实验图是复杂模型机在根据设计的指令系统设计出来的（此处借鉴了实验指导书的 复杂模型机的实验连线图） 。 B 实验步骤实验步骤 在该复杂模型机实验中，我采用的是联机写入和校验的方式。 1根据实验连线图（见附录二）正确连接电路。 2联机写入和校验 联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微 程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，本次实验程序见代码清单， 程序中分号；为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。在软件界面上可以通 过单步、单拍、运行、结束等按钮执行程序。记录运行结果。 9 4 4 代码清单代码清单 4.14.1 微程序流图微程序流图 10 图 1 微程序流图 微程序流程图说明了微指令执行过程中指令流和数据流的方向。能更具体地看到具 体的指令流和数据流的起点和和终点。其中起点可能是 PC 程序计数器、AR 地址寄存器、 主存 MEM、通用寄存器 R0、R1、R2、R3、IN 端口等。终点可能是 AR、MEM、OUT 端口、暂 存器 A、B 等。 4.24.2 机器指令代码机器指令代码 ; /* / ; / / ; / 复杂模型机实验指令文件 / ; / / ; / By TangDu CO.,LTD / ; / / ; /* / ; /* Start Of Main Memory Data * / $P 00 20 ; START: IN R0,00H 从IN 单元读入计数初值 $P 01 00 $P 02 61 ; LDI R1,0FH 立即数0FH 送R1 $P 03 0F $P 04 14 ; AND R0,R1 得到R0 低四位 $P 05 61 ; LDI R1,00H 装入和初值00H $P 06 00 $P 07 F0 ; BZC RESULT 计数值为0 则跳转 $P 08 16 $P 09 62 ; LDI R2,60H 读入数据始地址 $P 0A 60 $P 0B CB ; LOOP: LAD R3,RI,00H 从MEM 读入数据送R3， 变址寻址，偏移量为 00H $P 0C 00 $P 0D 0D ; ADD R1,R3 累加求和 $P 0E 72 ; INC RI 变址寄存加1，指向下一数据 $P 0F 63 ; LDI R3,01H 装入比较值 $P 10 01 $P 11 8C ; SUB R0,R3 $P 12 F0 ; BZC RESULT 相减为0，表示求和完毕 $P 13 16 $P 14 E0 ; JMP LOOP 未完则继续 $P 15 0B $P 16 D1 ; RESULT: STA 70H,R1 和存于MEM 的70H 单元 $P 17 70 $P 18 34 ; OUT 40H,R1 和在OUT 单元显示 11 $P 19 40 $P 1A E0 ; JMP START 跳转至START $P 1B 00 $P 1C 50 ; HLT 停机 $P 60 01 ; 数据 $P 61 02 $P 62 03 $P 63 04 $P 64 05 $P 65 06 $P 66 07 $P 67 08 $P 68 09 $P 69 0A $P 6A 0B $P 6B 0C $P 6C 0D $P 6D 0E $P 6E 0F ; /* End Of Main Memory Data */ ; /* Start Of MicroController Data */ $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC-AR, PC 加1 $M 03 107070 ; MEM-IR, P $M 04 002405 ; RS-B $M 05 04B201 ; A 加B-RD $M 06 002407 ; RS-B $M 07 013201 ; A 与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 $M 0D 200601 ; RD-MEM $M 0E 005341 ; A-PC $M 0F 0000CB ; NOP, P $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 减B-RD $M 15 002416 ; RS-B $M 16 01B201 ; A 或B-RD $M 17 002418 ; RS-B 12 $M 18 02B201 ; A 右环移-RD $M 1B 005341 ; A-PC $M 1C 10101D ; MEM-A $M 1D 10608C ; MEM-AR, P $M 1E 10601F ; MEM-AR $M 1F 101020 ; MEM-A $M 20 10608C ; MEM-AR, P $M 28 101029 ; MEM-A $M 29 00282A ; RI-B $M 2A 04E22B ; A 加B-AR $M 2B 04928C ; A 加B-A, P $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 $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 003401 ; 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, PC 加1 ; /* End Of MicroController Data */ 13 5 5 设计运行结果分析设计运行结果分析 5.15.1 实验结果：实验结果： 14 实验结果分析：本实验通过复杂模型机实现了从内存60H单元开始的几个数据的累加求和。 根据现有指令，在模型机上实现以下运算：从IN 单元读入一个数据，根据读入数据的低4 位值X，求1+2+X 的累加和，01H 到0FH 共15 个数据存于60H 到6EH 单元。 6 6 设计小结设计小结 通过课程设计，加深了我对计算机整机的综合理解，掌握微程序控制器的组成原理以 及微程序的编制、调试技术及模型机设计的基本方法，强化设计能力和实验动手能力。 计算机组成原理是计算机科学与技术专业一门非常重要的课程，在计算机专业的学习 中起着相当重要的作用，是掌握计算机硬件知识和计算机内部处理过程的理论基础，因此， 本次课程设计是对计算机组成原理所学理论知识的一次大检阅，是集知识的综合应用和动 手能力于一体的一次大型的演练。 通过本次课程设计，我对计算机的基本组成、工作原理，以及他们之间的通信方式 ， 微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制、调试以及执行等过程在理论的基础上面有 了更加深刻的理解，并加深了对理论课程的理解。 在实践过程中，老师的指导，与其他同学相互协作、相互交流，加强了我们之间的团队 精神，并从以下几方面得到较深体会： 1、加深了对实验原理的认识 本实验主要运用的原理是微程序控制的控制器工作原理。计算机所识别的全部指令都 是由微指令组成的微程序，指令的执行是通过来执行相应的微程序来完成的。实验中将所 要求的所有指令变成对应的微程序，写入控制存储器中，以后在执行用户程序的过程中， 每次都先从内存储器中取出一条机器指令，其解释执行过程都是从控制存储器中读出相应 的微程序，执行每条微指令的过程。 15 2、熟悉了微程序流程图的画法和微指令的设计方法 画微程序流程图，要先确立每条机器指令所需要的微周期数，此时要注意遵循确立的原则。 即写总线的微操作不能安排在同一条微指令中；当一微指令使用 T4 节拍时，其后续微操作 不能与它安排在同一条微指令中；互斥微操作不能安排在同一条微指令中。 3、对理论在实践中的应用有深刻的理解 这次课程设计提供了理论用于实践的机会，使我们真正弄懂了微指令的编写过程。指令的 构成是设计过程中的一个难点，我们一定要真正地弄懂它，进而弄清楚指令的功能，理解 整个设计的目的。 4、激发了学习的积极性 此次课程设计的过程中，弄清了以前在上理论课时的疑难问题，因此信心有了很大的增强， 对计算机组成原理这门课程的兴趣也不断提高，在一定程度上增强了学习的积极性。 5、培养了我在做事方面的耐心及细心程度 由于这次设计的线路复杂度高，连接线路是一种细活，稍微不小心把一条线路搞错就全错 了，经过对实验箱的具体认识，重复了 5 遍才把实验电路连接正确，真的感觉细心和耐心 在做实验中的重要性。在以后的学习、工作中，我们都要耐心、仔细，不能忽视任何一个 细小的问题，只有这样，