计算机组成原理课程设计报告.doc

一、设计内容与设计要求1设计内容模型机是由五个部分组成的计算机，通过它可以理解计算机整机的结构及功能，理解CPU、存储器、中断控制器、总线的结构及实现逻辑和各部件之间的接口关系。本次课程设计的主要内容是利用西安唐都公司的TDN-CM+的内部可编程资源，设计一个模型计算机。本课程设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由5部分组成，掌握计算机的工作过程，从“指令微指令微操作”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。2设计要求：(1) 借助于TDN-CM+的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功。(2) 复杂模型机的设计要求 (参考P107-115)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、访问及转移指令和停机指令。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。设计2条访内指令，即存数（STA）、取数（LDA），2 条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC）。设计2 条I/O 指令，输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令。设计停机指令1条用单字节表示。(3) 调试的程序第一组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 F5 RLC R1 R1 R1右移一位$P05 0C BZC 00 00 00-PC$P06 00 第二组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 45 IN 01 R1 INPUT device-R1 $P01 00 LDA 00 00 R0 (20)- R0$P02 20 $P03 86 MOV R1 R2 R1-R2$P04 A8 SBC R2 R0 R2-R0-CY-R0$P05 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P06 0C BZC 00 00 00-PC$P07 00第三组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 46 IN 01 R2 INPUT device-R2 $P01 84 MOV R2 R0 R2- R0$P02 44 IN 01 R0 INPUT device-R0 $P03 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P04 E2 COM R2 NOT R2 -R0$P05 D6 STA 00 0A R2 R2 -(0A)$P06 0A$P07 0C BZC 00 00 00-PC$P08 00在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。要求修改一条微指令。(4)按本任务书的要求，编写课程设计报告（Word文档格式）。并用A4的复印纸打印并装订。 (5)在规定的时间内，请各班学习委员收齐课程设计报告在星期五交陈华光老师。3分组及安排分5组，学号除以5取余数，余数为0的同学做复杂模型机1、余数为1的同学做复杂模型机2，余数为2的同学做复杂模型机3，余数为3的同学做基于RISC的模型机，余数为4的做流水线模型机，每个组必须独立完成指定的题目，每个同学按要求独立完成课程设计报告。4成绩评定程序设计方案是否合理；程序设计是否正确；调试结果；设计说明书的质量高低；答辩时回答问题情况；课程设计周表现情况；总评成绩记入“课程设计成绩评分表”。二、进度安排第 1周-2周，具体安排如下：星期时间班级内容地点第1周任务安排E-510接线E-510调试E-510系统调试实现E-510接线E-510调试E-510系统调试实现E-510附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（A4大小的图纸及程序清单）。 正文总字数要求在5000字以上（不含源程序代码）。 目 录一 课题的主要功能1二 总体设计方案22. 1 复杂模型机的逻辑框图22.2 用框图语言表示模型机的指令执行流程3三 数据格式和寻址方式的设计43.1 数据格式43.2 模型机的寻址方式43.3 指令格式5四 指令和和微程序的设计84.1 指令系统84.2 微程序的设计9五 线路连接图12六 微程序流程及说明13七 课程设计的收获及体会17八 参考资料18一 课题的主要功能此次课题的目的是完整设计一台模型计算机，进一步建立整机的概念。借助于TDN-CM+的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功因此我们先通过一个复杂模型机的设计实验来进行实际的计算机设计和实现，然后安排了用CPLD 来实现一个CPU 中的大部分功能的设计实验，接着讨论了输入输出系统的概念、分类、接口、寻址、基本控制方式等，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。根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码，写入到控制存储器中的相应单元中。在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。在验证正确后再自己修改几条微程序，再调试验证是否达到自己的目的。二 总体设计方案 2. 1 复杂模型机的逻辑框图 以控制器为中心，首控制器从指令寄存器取得指令，编译指令，再输出微控制信号，控制ALU的运算，PC加一，并且从RAM中取出数据运算，运算后再把结果通过数据总线存到RAM，在指令寄存器读去下一条指令，依次循环。 图1 复杂模型计算机逻辑框图2.2 用框图语言表示模型机的指令执行流程图2 模型计算机逻辑框图 三 数据格式和寻址方式的设计3.1 数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为位，其格式如下： 符号尾 数其中第 7 位为符号位，相对于十进制数值表示范围是：2 7X2 71。 3.2 模型机的寻址方式操作数的寻址就是寻找形成操作数在主存中的地址的方法。设指令格式如下：操作码（OP） 寻址特征 形式地址形式地址（D）：指令地址字段中给出的地址。 有效地址（EA）：形式地址经过一定计算而得到的操作数的实际地址。 常用寻址方式如下： (1)隐含寻址：指令中不指出操作数的地址，而是隐含在累加器或堆栈等，由它们给出操作数。 (2)立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。即数据 data = D。 (3) 直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出，即操作数的有效地址为 EA = D。 (4)间接寻址：指令的形成地址 D 在主存相应单元中的内容是操作数的地址，即操作数的有效地址为 EA =（D）。 (5)寄存器寻址：指令中给出的是寄存器号 R，操作数就是寄存器中的内容，即 data=（R）。 (6) 寄存器间接寻址：指令中给出的是寄存器号 R，而操作数的地址就是寄存器中的内容，即 EA =（R）。 (7)相对寻址：操作数地址为程序计数器 PC 中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以补码形式给出，可正可负。即 EA=（PC）+D。 (8) 基址寻址：操作数地址为基址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 +D(9)变址寻址：操作数地址为变址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和， 3.3 指令格式由于本模型机机器字长只有8位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指令。根据要求,设计该模型机能执行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1) 算术逻辑运算指令 9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表 3.1-1表 3.1-1算术逻辑运算指令用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： OP-CODErsrd其中，OP-CODE 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000110R0R1R2 (2) 访问指令及转移指令 模型机设计 2 条访内指令，即存数（STA）、取数（LDA），2 条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为： 7 65 43 21 000MOP-CODERD D其中，OP-CODE 为操作码，rd 为目的寄存器地址（LDA、STA 指令使用）。D 为位移量 （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 00 01 10 11 E= D E=（D） E=（RI）+D E=（PC）+D 直接寻址 间接寻址 RI 变址寻址 相对寻址 (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，addr=01 时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10 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：HALT 指令，用于实现停机操作。四 指令和和微程序的设计4.1 指令系统本模型机共有16 条基本指令，其中算术逻辑指令条，访问内存指令和程序控制指令条，输入输出指令条，其它指令1 条。表X列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。按照系统建议的微指令格式，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X 即为将图X微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件，见下表X。表 X2423222120191817161514 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A54.2 微程序的设计修改程序：把ADC机器指令的进行了修改，本来是执行：DR0+DR2BUSR0，把微程序改了，这条指令就执行：DR0或DR2BUSR0，其中把这条微程序M2B959B41改成M2B159B41就执行上条指令。得到的结果如图所示：在微程序流程图中找到ADC执行的数序号为53（八进制数），转化为十六进制数为2B。在给定的微程序中找到含2B的程序，为$M2B959B41将9，5转化为2进制数为1001，0101.其中，1001代表执行的运算，0101中的前两位中的0代表M=0,1代表Cn=1，对照74LS181的逻辑功能表，找到ADC所代表的是F=A加B，在F=A加B所在列寻找合适的算法即可。我找到的F=A或 B。其S3到S0为0001。转化为十进制数为1.将$M2B959B41中的9改为1，保存微程序。修改后测试程序：地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02 98 ADC R2 R0 R2或R0 -R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 E2 COM R2 NOT R2 -R0$P05 D6 STA 00 0A R2 R2 -(0A)$P06 0A$P07 0C BZC 00 00 00-PC$P08 00图1输入03至R0图2输入03至R0图3执行后得到正确结果送至R1五 线路连接图六 微程序流程及说明（1）第一条指令是通过取址把INaddress中的数03存入到R0，如图1所示图1(2) 第二条指令是通过取址把INaddress中的数03存入到R2，如图2所示图2（3）第三条指令是把R2中的数03送入到DR1中(图3)，把R1中的数03送入到DR2中（图4），再在算数逻辑运算器ALU中对DR1和DR2中的数进行求或运算后存入R0（图5）。图3图4图5(4) 第四条指令MOV是把R0中的数送到R1，此时R1变成02，如（图6）所示图6（5）第五条指令是移位运算，把R1中的数送到299-BUS中进行移位运算，在将移位后的结构存入R1（图7）图7七 课程设计的收获及体会经过这次课程设计我了解了很多知识，也学到了一些课本中没有的知识点，实践给我们带来了很多快乐，但是在这快乐中我们有着艰辛，在我们接完线的时候，去运行机器总是出错，我们一步一步的检查，到最后一遍又一遍的重新连线，到最后终于成功了，心里有着一般人没有的喜悦。计算机设计与实践实验课程不仅仅是对理论的验证，重要的是技术训练和能力培养，包括动手能力、分析问题和解决问题的能力、书写能力和表达能力、团队协作能力等的培养也就是要注重学生的工程能力，培养学生完成项目实践的能力，同时，要培养学生交流的能力，能够很好地表达自己的设计思想，这也是工程实践中必不可少的。因此，在整个课程中，指导教师多次与学