计算机组成原理课程设计.docx

学生实验报告实验课名称：计算机组成原理实验项目名称：基本模型设计与实现专业名称：软件工程班级：学号：学生姓名： 制导教师： 年 月 日目录第1章 课程设计概述31.1 课程设计的教学目的31.2 课程设计任务和基本要求3第2章 规定项目的验证实现32.1规定项目的设计原理32.2规定项目的操作步骤8第3章 制定应用项目的设计实现93.1指定应用项目设计的任务设计93.2指定应用项目设计的任务分析及解决方案93.3指定应用项目题目的设计原理103.4指定应用项目运行分析及讨论14第4章 收获、体会和建议14第1章 课程设计概述1.1课程设计的教学目的本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。1.2课程设计任务和基本要求本课程设计以TDNCM+计算机组成原理教学实验系统为平台设计完成。1.按给定的数据格式和指令系统，理解微程序控制器的设计原理。2.设计给定机器指令系统以及微程序流程图，按微指令格式写出为程序的微指令代码。3.连接逻辑电路，完成启动、测试、编程、校验和运行，并观测运行过程及结果。4.将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算机。5.用微程序控制器控制模型机的数据通路。6.通过在模型机上运行由机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立计算机的整机概念，掌握计算机的控制机制。7.按指定应用项目进行汇编指令格式及功能设计，并设计相应的机器指令代码，按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序。在PC机上编辑机器指令和微程序，装载代码到TDNCM+实验系统并运行，实现应用要求。第2章 规定项目的验证实现2.1规定项目的设计原理在部件实验中，我们是人为用二进制开关来完成数据通路的控制。而在本课程设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。计算机从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。本设计的规定应用项目采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下表（前四位是操作码）：指令助记符操作码地址码功能说明IN0000 0000数据开关的状态-R0ADD A0001 0000R0+A-R0STA A0010 0000R0-AOUT A0011 0000A-LEDJMP A0100 0000A-PCIN为单字长，含义是将数据开关8位数据输入到R0寄存器。ADD为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将R0寄存器的内容与内存中以A为地址单元的数与相加，结果放在R0。STA为双字长指令，含义是将R0中的内容存储到以第二字A为地址的内存单元。OUT为双字长指令，含义是将内存中以第二字为地址的数据读出到数据总线上，由数码管进行显示。JMP为双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了三个控制台操作微程序。三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下表： SWB SWA 控制台指令 0 0 读内存(KRD ) 0 1 写内存(KRD ) 0 1 启动程序(RP)根据以上要求设计数据通路框图如下图所示。当微指令格式确定之后，下一步就是确定后续微指令地址。通常的方法是先确定微程序分支处的微地址，因为微程序分支处需要进行判断测试。这些微地址确定以后就可以在一个“微地址表”中将分支微指令填入相应的分支微地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误。对于其他位置就可以按一条微指令对应一个微地址随意填写。数据通路框图如下：微指令格式242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0M CNWEA9A8AAABBBCCCUa5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P(4)101LOAD101ALUB101110LDAR110Pc-B110LDPC按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如下图所示： 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，下表即为将微程序流程图按微指令格式转化而得到的“二进制代码表”。二进制微代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8AAABBBCCCuA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA00000000001100000010001000001000000011110110001000010020000000011000000000010000300000000111000000000010004000000001010001000000101050000000110110000000001100601100001100110100000000107000000001110000000001101100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001011015000000011110110110000001160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000000000000000126000000001101110110000001270000011100000000000100003000000110100000000001000131000000101000001000000001320000000011100000000110113300000000101000000001110034000010011001101000000001本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUT DEVICE）；另一种是数码管，它作为输出设备（OUTPUT DEVICE）。本制定应用项目设计的机器指令程序及相应的汇编程序如下表所示：地址（二进制）内容（二进制）助记符注释0000 00000000 0000IN R0“INPUT DEVICE”-R00000 00010001 0000ADD 0AH,R0R0+0AH-R00000 00100000 10100000 00110010 0000STA R0,0BH R0 -0BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT 0BH0BH-LED0000 01100000 10110000 01110100 0000JMP 00H00H-PC0000 10000000 00000000 10010000 10100000 0001自定0000 1011求和结果2.2规定项目的操作步骤1按下图连接试验线路：2测试：在联机软件CMPP中打开复杂的数据通路图，在测试菜单中点击“开始”，按照提示进行测试。3写程序联机读/写程序按下面的规定格式，用联机软件在CMPP中建立将机器指令及微指令的二进制代码编辑成十六进制的*.TXT类型文件。并用联机软件的转存储功能将该格式文件装载到实验系统中。程序 机器指令格式说明$P0000 $PXX XX$P0110 机器指令代码$P020A$P0320 十六进制地址$P040B $P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01微程序 微指令格式说明：$M00018110 $M06959A01 $MXX XXX XXX$M0101ED82 $M0700E00D 微指令代码$M0200C048 $M08001001$M0300E004 $M0901ED83 十进制地址$M0400B005 $M0A01ED87$M0501A206 $M0B01ED8E$M0C01ED96 $M1200A017$M0D028201 $M13018001$M0E00E00F $M14002018$M0F00A015 $M15070A01$M1001ED92 $M1600D181$M1101ED94 $M17070A10$M18068A114运行程序本机运行：连续运行程序。使“STATE UNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态。STOP开关置为“RUN”状态。拨动总清开关CLR（1-0-1），微地址及程序计数器清零，然后按动启动开关START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。第3章 指定应用项目的设计实现3.1设计任务将指令中所带数据X与以R0内容K为地址的内存单元内容Y执行X减Y的运算，结果送入Y的上一个内存单元。3.2任务分析及解决方案任务分析指令中所带的数据为X，因此X的值在设计的程序中自行设定，Y的地址为K，它在于内存单元中,因此要从数据开关中输入Y的值，先将Y的值存入寄存器R0，然后将R0中内容存入地址为K的内存单元即符合了题目对X和Y存储的要求。然后就是设计X-Y的计算过程。设计思路从数据开关中输入Y的值5，将其存入寄存器R0。将Y的值从R0取出存入到以 1F为地址的内存单元中。对Y求非，将结果存入R0。从内从单元0E中取出X，从R0中取出Y做减法运算，将结果存入R0。将运算结果的值从R0取出存入到以 1E为地址的内存单元(即1F的上一个内存单元)中。最后的结果输出到数据总线上，由数码管显示。遇到的问题和解决方案（1）写微指令时，出现源寄存器混乱，导致数据流无法从指定的寄存器送出，并送入指定的寄存器。在确定微指令B字段的代码时混淆，导致无法出现正确的结果。解决方案：重新检查微指令代码，发现情况，立即修改，得到正确的数据流。（2）无法得到正确的机器码，导致微程序无法完全执行。解决方案：请教老师和同学，明白机器码的来源，通过译码，得到正确的机器码，微程序顺利执行。3.3设计原理本设计的指定应用项目采用六条机器指令：IN（输入），STA（存数），NOT（逻辑非运算），SUB（二进制减法），OUT（输出），JMP（无条件转移），其指令格式如下：指令助记符操作码地址码功能说明IN0000 0000数据开关的状态-R0STA A0010 0000 R0-ANOT A0101 0000 A的非-R0SUB A0001 0000 A-R0-R0OUT A0011 0000 A-LEDJMP A0100 0000 A-PCIN为单字长，含义是将数据开关8位数据输入到R0寄存器。STA为双字长指令，含义是将R0中的内容存储到以第二字A为地址的内存单元。NOT为双字长指令，含义是将以第二字A为地址的内容求非后结果放入R0。SUB为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将内存中以A为地址单元的数与R0寄存器的内容相减，结果放在R0中。OUT为双字长指令，含义是将内存中以第二字为地址的数据读出到数据总线上，由数码管进行显示。JMP为双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。微指令格式：242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0M CNWEA9A8AAABBBCCCUa5uA4uA3uA2uA1uA0按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如下图所示：微程序流程图当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，下表即为将微程序流程图按微指令格式转化而得到的“二进制代码表”。二进制微代码表:微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8AAABBBCCCuA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA00000000001100000010001000001000000011110110001000010020000000011000000000010000300000000111000000000010004000000001010001000000101050000000110110000000001100601100001100110100000000107000000001110000000001101100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001011015000000011110110110000001160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000000000000000126000000001101110110000001270000011100000000000100003000000110100000000001000131000000101000001000000001320000000011100000000110113300000000101000000001110034000010011001101000000001本系统使用两种外部设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUT DEVICE）；另一种是数码管，它作为输出设备（OUTPUT DEVICE）。本制定应用项目设计的机器指令程序及相应的汇编程序如下表所示：地址（二进制）内容（二进制）助记符注释0000 00000000 0000IN R0“INPUT DEVICE”-R00000 00010010 1111STA R01FHR0-1FH0000 00100001 11110000 00110101 0000NOT R0,1FH非1FH非-R00000 01000001 11110000 01010001 0000SUB 0EH,R00EH-R0-R00000 01100000 11100000 01110010 0000STA R0,1EHR0-1EH0000 10000001 11100000 10010011 0000OUT 1EH1EH-LED0000 10100001 11100000 10110100 0000JMP 00H00H-PC0000 11000000 00000000 11101111 1110自定义X0001 11101111 1110求和结果联机读/写程序按下面的规定格式，用联机软件在CMPP中建立将机器指令及微指令的二进制代码编辑成十六进制的*.TXT类型文件。并用联机软件的转存储功能将该格式文件装载到实验系统中。程序16$P0000$P0120$P021F$P0350$P041F$P0510$P060E$P0720$P081E$P0930$P0A1E$P0B40$P0C00$P0EFE$M00018110$M0101ED82$M0200C048$M0300E004$M0400A005$M0501B206$M06619A01$M0700E019$M08001001$M0901ED83$M0A01ED87$M0B01ED8E$M0C01ED96$M0D01ED9A$M0E00E00F$M0F00A015$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M15070A01$M1600D181$M17070A10$M18068A11$M19028201$M1A00E01B$M1B00A01C$M1C099