计算机组成原理课程设计.doc

课 程 设 计 报 告课程设计名称： 计算机组成原理 系 ： 三系 学生姓名： 刘xx 班 级： 11计本（2） 学 号： 成 绩： 指导教师： 卞利 开课时间： 2012-2013学年 二 学期一设计题目:简单模型机的微程序设计二主要内容:通过课程设计更清楚地理解下列基本概念：1.计算机的硬件基本组成；2.计算机中机器指令的设计；3.计算机中机器指令的执行过程；4.微程序控制器的工作原理；5.微指令的格式设计原则。在此基础上设计你可以运行一些基本机器指令的微程序设计三具体要求:1.通过使用作者开发的微程序分析和设计仿真软件，熟悉介绍的为基本模型机而设计的微程序的执行过程。必须充分理解并正确解释下面的问题：（1）微程序中的微指令的各个字段的作用，哪些字段是不译码的，哪些字段是直接译码的，哪些字段又可以看成是字段间接编码的。答：不译码：s3-b0,直接译码：c字段，间接译码：a,b字段，当c字段进行p（1）或ldpc时ua6-ua1也是间接。（2）微程序中的微指令是否是顺序执行的，如果不是，那么次地址是如何产生的。什么情况下，次地址字段才是将要执行的微指令的地址。答：微程序中的微指令不是顺序执行的，如果遇到p(1)p(4)测试时，则根据机械指令，ua5ua其他有关部件的内容，产生下一条微指令在内存中的微地址，是微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序，分支，循环运行等。例如遇到p(1)测试，则下一条微指令在内存中的微地址的41位是用次地址字段na（41位）或指令寄存器ir（85位）所产生，下一条微指令的微地址仍为na字段的65位。如果没有遇到p(1)p(4)测试的话，那么次地址即为该微指令地址字段所指向的微地址。（3）在微程序中如何根据机器指令中的相关位实现分支，据此，在设计机器指令时应如何避免和解决与其他指令的微指令的微地址冲突。答：微程序中是根据测试程序的机器指令中的85位和微程序中后六位进行“或”运算来实现分支的。避免和解决与其它指令的微指令的微地址冲突的方法就是不用已经被其它微指令用过的微地址（4）哪些微指令是执行所有指令都要用到的。答：00:000001011110110110000010 01:000001001100000001000000（5）解释一条机器指令的微程序的各条微指令的微地址是否连续？这些微指令的微地址的安排的严重原则是什么？答：不连续。严重原则是将各条机器指令的入口微地址置于地址连续的地址单元中，避免其他微指令乱用这一段地址。（6）为什么读写一次内存总要用两条微指令完成？答：因为w/r只有两种状态，即要么是读，要么是写，所以，要完成一次读写总要用两条微指令完成。（7）机器程序中用到的寄存器是r0，是由机器指令中哪些位决定的？如果要用r1或r2，是否要改写微程序或改写机器指令？如果要，应如何改写？答：是由机器指令中的21位决定。如果要用到r1或r2，那么不需要改写微程序，但得改写机器指令的低两位，即21位，若要用到r1，则将其改为01，若要用r2，则将其改为10。2. 在原有5条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试设计相应的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令。新增加的机器指令的功能是：异或指令xor rd，rs：(rs)异或(rd)(rd)与指令and rd，(addr)：(rd)与(addr)(rd)求反指令 not (addr)，rs：/(rs) （addr）新加法指令 nadd (addr1)，(addr2)：(addr1)加(addr2)(rd)数据传送指令mov (addr1)，(addr2)：(addr1)(addr2)四进度安排:共1.5周11天的时间，具体安排如下：12天：对整个课程设计的内容做详细的了解，并完成课程设计指导书的学习，掌握和理解课程设计的核心内容；35天：在机房学习熟悉课程设计所使用的仿真软件，并深入了解该仿真软件所实现的模型机的指令系统（原有的5条指令）和微程序设计方法；69天：在原有5条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试设计相应的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令。1011天：根据自己设计的微程序系统写出相应的课程设计实验报告5 成绩评定正文:一、模型机的cpu及系统硬件 ： 图1 模型机的cpu及系统硬件组成运算器为单总线结构，其输入端分别连接到暂存器dr1和dr2，其装入数据的微命令分别为lddr1和lddr2，当它们为1电平时由节拍脉冲t4将数据总线上的数据装入相应的暂存器。r0、r1、r2为通用寄存器。r0的装入数据的微命令为ldr0，r1的装入数据的微命令为ldr1，r2的装入数据的微命令为ldr2。299为实现移位运算的装置，当299b微命令有效时，其数据端和数据总线连接。控制器由程序计数器pc、指令寄存器ir、地址寄存器ar、时序电路、控制存储器及相应的译码电路组成。 二、基本模型机的指令设计 根据基本模型机的硬件设计十条机器指令：外设输入指令in、二进制加法指令add、存数指令sta、输出到外设指令out、无条件转移指令jmp，与指令and，数据传送指令mov，新加法指令 nadd，异或指令xor，求反指令 not。指令格式如下： 助记符 机器指令码说明in 00110000 ；置数开关sw（kd0kd7）的状态r0add addr 01000000 xxxxxxxx ； (r0)+(addr)（r0）sta addr 01010000 xxxxxxxx ； (r0)（addr）out addr 01100000 xxxxxxxx ； (addr)输出设备ledjmp addr 0111000 xxxxxxxx ；addrpcxor 10000100 ； (rs) 异或 (rd)(rd) ,r0 异或 r1r0and addr 10010000 xxxxxxxx ； (rd) 与 (addr)(rd) ,r0 与（16h）r0not addr 10100000 xxxxxxxx ；/(rs) （addr）,/r0(17h)nadd addr addr 10110000 xxxxxxxx xxxxxxxx；(addr1)加(addr2)(rd),(18h)+(19h)r0mov addr addr 11000000 xxxxxxxx xxxxxxxx ；(addr1)(addr2)，(1ah)(1bh)3、 指令微流程分析 这十条指令的微流程如图所示：用数据流表示的微程序流程图 01010101010101010101333231302f2e2d2c2b2a292827pc- arpc+1pc- arpc+1pc- arpc+1r0-dr1ram-busbus-arr0busbus-ramram-busbus-arram-busbus-dr1dr1-ledram-busbus-pcr0-dr2(dr1异或dr2)-r0262425232221201f1e1d1c1b1a1519160f0e0d0b0c0a09080706050403movnaddnotandxorjmpoutaddstain0201(dr1+dr2)-r0pc- arpc+1ram-busbus-arram-busbus-dr2pc- arpc+1ram-busbus-arram-busbus-dr1(dr1+dr2)-r0pc- arpc+1sw-r0ram-busbus-arram-busbus-dr2r0-dr1pc - arpc+1ram busbus irp(1)测试 pc- arpc+1ram-busbus-arr0-dr1dr1-r0r0busbus-rampc- arpc+1ram-busbus-arram-busbus-dr2r0-dr2(dr1与dr2-r0ram-busbus-arram-busbus-dr1r0busbus-rampc- arpc+1dr1-r0ram-busbus-arpc- arpc+1该图是运行微程序的数据流图，为了设计微程序，还应该根据此图进一步细化到微命令。如下图： 0201ce有效 we=0ldir p(1)测试 pcb ldar ldpc0dalu做加ldrialub150f0e04ce有效w/r=0ldarce有效w/r=0ldarce有效w/r=0ldarpcbldarldpcce有效w/r=0ldar alu做与 ldri alubrob有效lddr1ce有效w/r=0lddr2swb有效 ldr123movnaddadd2701rob有效ce有效w/r=1 alu做反 ldrialub01010101010101010133rob有效ce有效w/r=1323130 ldri alub2fce有效w/r=0lddr12e0c2c alu做加 ldri alub2dce有效w/r=0lddr2ce有效w/r=0ldar2b2apcbldarldpc29 k999ce有效w/r=0lddr2280bpcbldarldpc2625rob有效lddr1240ace有效w/r=0ldarpcbldarldpcnot22rob有效lddr1pcbldarldpcpcbldarldpc21ce有效w/r=0lddr220ce有效w/r=0ldar09and1falu做异或ldrialub1erob有效lddr208rob有效lddr1xor1d07jmppcbldarldpcce有效w/r=0load031c1b1aalubledbalu=aw/r=1ce有效w/r=0lddr1rob有效ce有效w/r=1pcbldarldpcce有效w/r=0ldarpcbldarldpcpcbldarldpc06outinsta1916ce有效w/r=0ldar05该图中每个框上的数字表示该条微指令在控存中的地址（与指令格式有关，也与设计者的意愿有关）。如何在一条微指令中实现一个框中的微操作与微指令的格式密切相关。四、基本模型机的微指令格式 本模型机的微指令长共24位，基本采用水平型微指令字段直接编码方式，其控制位顺序如下：五、编写微程序编写的机器指令代码如下:00h:00110000 ；in r0:（sw）（r0）01h:01000000 ；add 14h,（rs）+（14h）（rd) 02h:0001010003h:01010000 ；sta 15h,（r0）（15h）04h:0001010105h:01100000 ；out 15h,（15h）（led）06h:0001010107h:10000100 ； (rs) 异或 (rd)(rd) ,r0 异或 r1r008h:10010000 ； (rd) 与 (addr)(rd) ,r0 与（16h）r009h:00010110 0ah:10100000 ；/(rs) （addr）,/r0(17h)0bh:000101110ch:10110000 ；(addr1)加(addr2)(rd),(18h)+(19h)r00dh:000110000eh:000110010fh:11000000 ；(addr1)(addr2)，(1ah)(1bh)10h:0001101011h:0001101112h:01110000 ； jmp 00: 00（pc）13h:0000000014h:0000000115h:16h:0000001017h:0000001118h:0000010019h:000001011ah:000001101bh:00000111微指令代码如下:00:00000101100000010001000001:00000101111011011000001002:00000100110000000100000003:00000100000100000000000104:00000101111011011000110105:00000101111011011001011006:00000101111011011001101007:00000101111011011001110108:00000101101000100001111009:0000010111101101101000000a:0000010111101101101001000b:0000010111101101101010000c:0000010111101101101011100d:0000010011100000000011100e:0000010010110000000011110f:00000101101000100001010115:10010101100110100000000116:00000100111000000001100119:0000011010000010000000011a:0000010011100000000110111b:0000010010100000000111001c:0000011100001010000000011d:0000010011010000000000011e:0000010110110100000111111f:01101001100110100000000120:00000100111000000010000121:00000100101100000010001022:00000101101000100010001123:10111001100110100000000124:00000100111000000010010125:00000101101000100010011026:00001001100110100010011127:00000110100000100000000128:00000100111000000010100129:00