简单模型机.doc

华东交通大学课程设计报告课程设计(论文) 计算机信息工程学院 学院 计算机科学与技术 专业 2010-3 班 姓名李萍 一、课程设计(论文)题目基本模型机设计与实现 二、课程设计(论文)工作自 2013 年 3月 19 日起至 2013 年 月 20 日止。三、课程设计(论文) 地点: 计算机组成原理实验室（理工一435） 四、课程设计(论文)内容要求：1课程设计的目的通过课程设计的综合训练，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步掌握整机概念。培养学生实际分析问题、解决问题和动手能力，最终目标是想通过课程设计的形式，帮助学生系统掌握该门课程的主要内容，更好地完成教学任务。2课程设计的任务及要求1）基本要求（1）课程设计前必须根据课程设计题目认真查阅资料； （2）实验前准备好实验程序及调试时所需的输入数据；（3）实验独立认真完成；（4）对实验结果认真记录，并进行总结和讨论。2）课程设计论文编写要求（1）按照书稿的规格撰写打印课设论文（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、附录等（3）正文中要有问题描述、实验原理、设计思路、实验步骤、调试过程与遇到问题的解决方法、总结和讨论等（4）课设论文装订按学校的统一要求完成3）课设考核从以下几方面来考查：（1）出勤情况和课设态度； （2）设计思路；（3）代码实现； （4）动手调试能力；（5）论文的层次性、条理性、格式的规范性。 4）参考文献1 王爱英. 计算机组成与结构M. 北京：清华大学出版社, 2007.2 王爱英. 计算机组成与结构习题详解与实验指导M. 北京：清华大学出版社, 2007. 5）课程设计进度安排内容 天数地点构思及收集资料 1图书馆实验与调试 3实验室撰写论文 1图书馆6）任务及具体要求 设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条简单的计算机指令，其中至少包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算指令，程序控制指令。学生须根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单机器指令程序。将实验设备通过串口连接计算机，通过联机软件将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通过联机软件显示和观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符合设计要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。学生签名： 2011年 6月 20 日课程设计(论文)评审意见（1）设计思路 ：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （2）代码实现 ：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （3）完成调试能力评价：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）论文格式规范性评价 ：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）考勤和态度 ：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；评阅人： 职称： 讲师 2011 年 6 月 28 日目录1 绪论11.1 课设目的11.2 课设意义11.3 课设内容12 正文22.1 问题描述22.2 实验原理22.3 设计思路62.3.1二进制微代码表设计62.3.2机器指令程序82.3.3线路连接图92.3.4微程序流程及说明92.4 调试过程102.5 分析123 小结134 参考文献14131 绪论1.1 课设目的融会贯通计算机组成原理课程中各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，建立清晰的整机概念。对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台简单模型机。为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。1.2 课设意义通过该课程设计的学习，可以提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力。为将来从事专业工作打下基础，培养良好的职业道德和严谨的工作作风。1.3 课设内容层次化设计方法、多路开关、逻辑运算部件、微程序控制的运算器设计、微程序控制的存储器设计、基本模型机的设计等内容。本课程设计要求实现五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移)的输入，输出。2 正文2.1 问题描述设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条简单的计算机指令，其中至少包括输入、输出指令，存储器读写指令，寄存器访问指令，运算指令，程序控制指令。学生须根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单机器指令程序。将实验设备通过串口连接计算机，通过联机软件将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通过联机软件显示和观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否符合设计要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。2.2 实验原理部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能，这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU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。本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移)。其中IN为单字长，其余为双字长指令。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,还必须设计三个控制台操作微程序.存储器读操作(KRD):拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB,SWA 为”0 0”时,按START微动开关,可对RAM连续手动读操作.存储器写操作（KWE）:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB SWA置为”0 1”时,按START微动开关可对RAM进行连续手动写入.启动程序:拨动总清开关CLR后,控制台开关SWB SWA置为“1 1”时,按START微动开关,既可转入到第01号“取址”微指令,启动程序运行.上述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：SWBSWA控制台指令001011读内存（KRD）写内存（KWE）启动程序（RP）表2.1微代码定义如表2.2所示：24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段 B字段 C字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000.000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC表2.2 微代码定义本实验设计机器指令程序如下指令程序：地址（二进制） 内容（二进制） 助记符 说明0000 0000 0000 0000 IN “INPUT DEVICE” R00000 0001 0001 0000 SUB 16H R0+16H R00000 0010 0001 01100000 0011 0010 0000 SAT 0BH R00BH0000 0100 0000 10110000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH BUS0000 0110 0000 10110000 0111 0100 0000 JMP 00H 00HPC0000 1000 0000 00000000 10010001 0110 0000 1000 自定，基于本设计，现减8H（8D）0000 1011 求差结果根据以上要求设计数据通路框图如下：图2.1 数据通路框图. 系统涉及到的微程序流程见图2.1，当拟定“取址”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1)测试。由于“取址”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位（IR7-IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。 控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。控制台流程图如下：图2.2 控制台流程图 微程序流程图如下：图2.3 微程序流程图2.3 设计思路2.3.1二进制微代码表设计基本模型机的设计和实现的程序设计如下：（1）IN 输入 “INPUT DEVICE”R0（2）SUB 16H R0+16H R0（3）STA 0BH R00BH（4）OUT 0BH 0BH BUS（5）JMP 0BH 00HPC按照规定格式，将机器指令及表2.4微指令二进制表编辑成十六进制的如下格式文件。机器指令程序： P0000 P0110 P020A P0320 P040B P0530 P060B P0740 P0800 P0A01微指令程序： M00108105 M0182ED05 M0248C004 M0304E004 M0405B004 M0506A205 M06019A95 M070DE004 M08011004 M0983ED05 M0A87ED05 M0B8EED05 M0C96ED05 M0D018206 M0E0FE004 M0F15A004 M1092ED05 M1194ED05 M1217A004 M13018005 M14182004 M15010A07 M1681D104 M1700A07 M18118A06机器指令格式说明：$ X X X X 机器指令代码 十六进制地址微指令格式说明：$ X X X X X X X X 微指令代码 十六进制地址注意：因系统文件格式要求，微指令格式文件和控制存储器的微指令代码的第一字节与第三字节（后8位）对换一下。将微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5-UA0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1表2.3二进制微代码表2.3.2机器指令程序地址（二进制） 内容（二进制） 助记符 说明0000 0000 0000 0000 IN “INPUT DEVICE” R00000 0001 0001 0000 SUB 16H R0+16H R00000 0010 0001 01100000 0011 0010 0000 SAT 0BH R00BH0000 0100 0000 10110000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH BUS0000 0110 0000 10110000 0111 0100 0000 JMP 00H 00HPC0000 1000 0000 00000000 10010001 0110 0000 1000 自定，基于本设计，现减8H（8D）0000 1011 求差结果 2.3.3线路连接图图2.4 线路连接图2.3.4微程序流程及说明以下是基本模型机的设计和实现的调试的基本步骤：单步运行程序A使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。B拨动总清开关CLR（），微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。C单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。D 当运行结束后，可检查存数单元（0B）中的结果是否和理论值一致。连续运行程序A使“STATE UNIT”中的STEP开关置于“EXEC”状态，STOP开关置于“RUN”状态。B拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。C停机后，可检查存数单元（0B）结果是否正确。若联机运行程序时，进入DEBUG调试界面，总清开关CLR（01）清零后，程序首地址为00H，按相应功能键即可联机运行、调试程序。2.4 调试过程（1）从实验器材中向R0中装入被减数B8H（184D）。图2.5（2）从内存16H中读入减数，为