组成原理微程序设计报告.doc

计算机组成原理课程设计报告题目：微程序设计 专业：计算机科学与技术班级：（）班组员： 学号：指导老师：目录一、 摘要二、 微程序控制器原理三、 总体设计（系统构成）四、 详细设计五、 测试六、 设计中出现的问题和解决方法七、 结论八、 参考文献九、 个人总结课程设计指导教师评定成绩表姓名学号：项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(xx90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日一、 摘要利用CPU与简单模型机设计实验中所学到的实验原理以及编程思想，硬件设备，自拟编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能。完成了各指令的格式以及编码的设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。在本设计中完成了基本的数据输入输出（IN,OUT），带左移的加法运算(ADD Ri , Rj , N; Ri （Ri）+（Rj）N ，Rj中内容不变)，存储器到存储器的传送(MOV memi , memj)以及CALL与RET指令的实现。 关键词：微程序控制器原理 微指令编码 机器指令微代码 设计流程图2、 微程序控制器原理 1. 设计要求： 用微程序控制器实现以下指令功能，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含以下指令的应用程序。参考实验5.3、6.1，在此基础上增加如下指令调用：CALLaddr ;指令功能与80X86相同，addr是8位二进制地址 返回：RET ；存储器到存储器传送：MOV memi , memj; memi (memj), ij，memi内存单元地址带左移的加法运算：ADDRi , Rj , N; Ri （Ri）+（Rj）N ，Rj中内容不变 2、 设计原理及设计思想： 本设计的核心是一个简单的cpu，CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如下图所示。CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。 这此次设计中用到了程序计数器，系统的程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD 芯片中 。CLR 连接至CON 单元的总清端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T3 相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PC。 本模型机共有七条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、，HLT（停机），call（调用）相当于JMP（无条件转移）、ret（返回）、shl（左移）其指令格式如下（高位为操作码）： 其中call指令为双字节指令，其余均为单字节指令，*为addr 对应的二进制地址码。根据以上要求，设计数据通路图如下图： 数据通路图 三、总体设计（系统构成）利用CPU的运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）等的各项功能即这个简单的模型机，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，编写满足要求的应用程序。通过以下几大步骤完成所需设计。a. 通过分析CPU各个功能部件之间的相互关系，完成实验所需电路图设计，b. 规划出整个应用程序所需要的流程图，为微代码的编写提供清晰的思路c. 利用流程图所给思想，设计微代码格式，编写微指令以及机器指令微代码d. 通过联机操作方式完成测试，检测是否能完成要求中的功能进行分析总结，策划优化方案4、 详细设计 A 、系统涉及到的微程序流程见下图所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P 的测试结果出现多路分支。本设计用指令寄存器的高6 位（IRIR2）作为测试条件，出现七路分支，占用七个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16 进制。0001PCARPC+1MAA左移1-R0PCARPC+1MBA+B-A300A090D0C0BPCARPC+1MARPNOP010330INARR0MMR0INAR3408070601PCARPC+1MR0360111APCPCMPCARPC+1MAR0AR370113141516R0ARMPC380112R0 IO0133ADDOUTMOVLDICALLRETB 、电路连接图C 、设计微代码格式，编写微指令以及机器指令微代码设计思想为：利用程序计数器（PC）作为每一小节程序段的开始，当拟定“取指”指令后，利用P字段进行判别测试。IN, OUT, ADD, MOV, CALL, RET, SHL, RET作为并行的程序入口。IN：完成需要相加的两个数据i、j的输入，并分别存入A、B中，等待运算。OUT：完成程序运行结果的输出，在相应的软件OUT的单元以及硬件设施的OUT单元的数码管中均有显示。ADD：完成带左移的加法操作，即ADDRi , Rj , N ; Ri （Ri）+（Rj）AR,PC 加1$M 03 107070 ; MEM-IR, P;ADD程序段$M 30 006D49 ;PC-AR PC+1$M 09 10100A ;M-A$M 0A 006D4B ;PC-AR PC+1$M 0B 10200C ;M-B$M 0C 04920D ;A+B-A$M 0D 039201 ;AR0;MOV程序段$M 34 186006 ;IN-AR$M 06 103007 ;MEM-R0$M 07 186008 ;IN-AR$M 08 200401 ;R0-MEM;CALL程序段$M 37 006D53 ;PC-AR PC+1$M 13 101014 ;MEM-A$M 14 006415 ;R0-AR$M 15 200C16 ;PC-MEM$M 16 005341 ;A-PC;LDI程序段$M 36 006D05 ;PC-AR,PC+1$M 11 103001 ;MEM-R0;RET程序段$M 38 006412 ;R0-AR$M 12 105141 ;MEM-PC;OUT指令$M 33 280401 ;R0-IO; /* End Of MicroController Data */五 .测试 运行:将时序与操作台单元的开关KK1 和KK3 置为运行档，进入软件界面，选择菜单命令“【实验】【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。按动CON 单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序对应微指令：$M 34 186006 ;IN-AR（MOV中） 对应微指令：$M 06 103007 ;MEM-R0（MOV中） 对应微指令：$M 11 103001 ;MEM-R0（LDI中） 对应微指令：$M 13 101014 ;MEM-A（CALL中） 对应微指令：$M 14 006415 ;R0-AR（CALL中） 对应微指令：$M 16 005341 ;A-PC（CALL中） 对应微指令：$M 0B 10200C ;M-B（ADD中） 对应微指令：$M 0D 039201 ;AR0（ADD中） 对应微指令：$M 33 280401 ;R0-IO（OUT中） 对应微指令：$M 38 006412 ;R0-AR（RET中）实验结果： 实验结果完全符合当初的设计，各个微指令都实现了预先设计的目标，机器程序的测试也达到预期的效果。六、设计中出现的问题和解决方法(一)出现问题: （a）在设计CALL指令时，需要把当前指令的位置压栈，等到子程序调用RET指令时再将之弹出栈，方可返回对应的主程序。但设计指令时并未设计PUSH，POP指令，因此保存当前指令成为一个难题。 （b）在设计MOV指令时，内存之间是不可以直接传送数据。(2) 对应的解决方法: （a）为解决此问题，设计时就多加了一条LDI（立即数送寄存器）指令，目的是使得我们自己可以指定一个内存地址，存放我们当前的指令地址。这样，在我们调用CALL指令前只需调用LDI即可指定位置一个位置存储当前指令地址（类似压栈）。当然，RET也要调用它。（）解决方法，运用寄存器当中转，先把存储器一中的数据放到寄存器，在把寄存器中的数据放到存储器二。七、总结： 通过本次课程设计，学会了综合的运用所学的计算机组成原理知识来设计并实现一个基本的模型机，并会利用该模型机进行应用程序的编写，实现一系列功能。1. 掌握了简单CPU的组成原理。深刻掌握了CPU的各个组成部分，即运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）的工作原理和协调方式。2. 学会利用编程思想设计出清晰的流程图，特别注意到各个程序段入口选择的方法。3. 掌握了指令的格式及编码，会编写所要实现的机器指令的微指令，并能通过设计的微程序流程，编写出完整的指令程序。4. 能将所学的计算机组成原理知识融会贯通，设计出较好的模型机。掌握了微程序的编写运用，模型计算机的数据路径以及微程序控制器的工作原理利用微程序了解释所需的机器指令，以达到设计的目的，完成课程设计的要求5. 理解了团队合作的力量。通过团队的分工合作，相互探讨，相互帮组，整个课程设计才顺利完成，也达到了我们预期的目的。通过本次课程设计，所取得收获与暴露的不足如下：收获：a) 能很好的分工合作，能很好的团队合作，保证了设计的顺利完成；b) 各组员都积极参与，共享设计思想，学会清晰而准确的设计流程图、微代码等；c) 在设计的过程中，能取长补短，在实践中求真理，认真改善设计方案；d) 整个设计思想有自己的方案，不局限于参考，能很好的达到各项标准要求；e）本设计最具特色的是不仅完成了CALL指令的调用，同时嵌入SHL（左移）操作，使程序功能更强大，充分发挥出CALL的作用。不足：a) 设计前的准备欠缺，导致了设计过程中的一些阻碍； b) 部分步骤比较简单化，尚有深入的余地； c) 整体的设计也有待提高。八、参考文献计算机组成原理实验指导书，重庆大学计算机学院编计算机组成原理,蒋本珊编,清华大学出版社,2004年3月计算机组织与结构,William Stallings编,高等教育出版社,2001年8月计算机组成与系统结构,李亚民编,清华大学出版社,2000年4月、九、个人总结计算机组成原理课程设计个人总结这次实验增强了我的动手能力、提高了我发现问题、分析问题和解决问题的能力、增强了我的团体合作意识和经验。 首先，动手能力一直是我的弱点，这次实验使我在老师和同学的帮助下自己动手完成了这次实验，让我知道了怎样正确按自己的思路画流程图、按原理图连接线路、根据数据通路图的控制端确定控制信号代码，装入正确微代码，正确实现此实验要求。 同时，我平时习惯了按要求回答问题，遇到设计之类的问题总是烦恼万分，对一具体题目总是联想翩翩却无从下手。通过这次实验使我知道了如何从最基础的知识入手逐渐深入到题目的最终实现。整个实验过程中，从连线到调试最终正确问题可谓层出不穷，怎样发现问题对我而言是一大难题。首先，此实验线路复杂，如连错便不易检查，且线路导通与否也很难检查，通过理论与问题对应分析对我来说就尤其重要。在调试时我发现数据流向错误时就得检查微代码和所写的流程图，并结合流程图和