实验报告111.doc

计算机组成原理 课 程 设 计课程名称：计算机组成原理题 目：模型及设计与实现专 业：计算机科学与技术（交通信息工程）同 组：高鸿雁班 级：24020904学 号：2402090422姓 名：支俊方指导老师 课程设计时间：11.2812.2 目录一、 课程设计任务书-3二、 课程设计具体步骤-4一、 实验题目-4二、 设计目的-4三、 课程设计设备-4四、 设计内容（步骤）-4（一） 确定设计的功能和用途-4（二） 模型机的硬件设计-4（三） 指令设计分析-5（四） 五条机器指令-5（五） 模型机图解-6（六） 微指令的设计-6五、测试程序-9（二）装载和写入程序-9（三）测试运行程序-10（四）调试过程中的截图-10三、课程设计总结-10附录一：课设连线图附录二：调试过程截图附录三： 参考文献课程设计任务书一、设计任务： 1、 基本模型机设计与实现；2、 在基本模型机设计的基础上设计一台复杂模型机。二、功能指标和设计要求：利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。设计环境为TDNCM计算机组成原理教学实验箱、微机，联机软件等。将所设计的微程序在此环境中进行调试，并给出测试思路和具体程序段。最后撰写出符合要求的课程设计说明书、完成答辩。1.基本模型机设计与实现1.1、设计一台简单模型机，要求其指令系统至少要包括五条不同类型指令：如一条输入指令（假设助记符为IN），一条加法指令（假设助记符为ADD），一条存数指令（假设助记符为STA），一条输出指令（假设助记符为OUT）和一条无条件转移指令（假设助记符为JMP）；利用设计的模型机设计一个进行两个数求和运算的测试验证程序，验证模型机的功能。1.2、在1.1的基础上，给基本模型机增加一条加法指令（假设助记符仍为ADD），但是该加法指令的寻址方式与1.1中的加法指令寻址方式不同。利用设计的模型机设计一个进行两个数求和运算的测试验证程序，验证模型机的功能。2. 在任务1的基础上，设计具有不少于10条指令的复杂指令系统模型机。其中，包含算术逻辑指令、访问内存指令、转移指令、程序控制指令（控制台指令）、输入输出指令、停机指等令。数据的寻址方式要包括直接、间接、变址和相对寻址等多种寻址方式。利用设计的复杂模型机实现两个数的减法运算并判断差得正负，差为正数则输出A，差为负数则输出B，差为零则输出C。设计该测试验证程序，验证模型机的功能。3、基本模型机和复杂模型机的CPU数据字长为8位，采用定点补码表示。指令字长为8的整数倍。微指令字长为24位。三、设计步骤：1、确定设计目标进行全面深入的模型机设计需求分析，确定所设计计算机的功能和用途。2、确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。确定相对应指令所包含的微操作。3、总体结构与数据通路与硬件实现总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。硬件实现基于现有的基本实验箱平台，根据所设计模型机选择必要的元器件，并通过接插件（各种连线等）进行器件连接，组成所设计的模型机硬件系统（物理机）。4、设计指令执行流程数据通路确定和硬件实现后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。5、确定微程序地址根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。6、微指令代码化根据微指令格式，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。7、组装、调试7.1、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，才能保证整机的正常运行。首先调试每条微指令功能，再调试每条机器指令功能。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。7.2、当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。根据设计的模型机设计模型机功能测试验证程序，运行程序验证模型机功能。五、时间安排： 第十四周（11.2812.2）1、 熟悉课程设计任务，掌握实验设备2、 设计模型机连接电路3、 编写机器指令和微程序指令并进行调试4、 将设计结果让老师检验5、 撰写课程实验报告课程设计具体步骤一、 实验题目:简单模型机和复杂模型机的设计和实现二、 设计目的：1、在掌握不见单元电路的基础上，进一步将其组成系统构造一台微稍微复杂的模型计算机2、为其定义5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。三、课程设计设备：TDNCM计算机组成原理教学实验箱、联机软件排线若干PC微机一台四、设计内容： （一）确定设计的功能和用途 1、本课程设计的简单模型机的主要功能是从外部输入一个数，实现这个数加一存入主存后并输出。2、通过简单的机器指令来完成更复杂的机器指令。（二）模型机的硬件设计;设计简单的模型机，主要包括五大组织结构：运算器，存储器，控制器，输入和输出设备。运算器：本设计用的运算器主要是用来进行算术运算。它是由算数逻辑部件（ALU）和若干通用寄存器组成。它的主要功能是可以进行加、减、乘、除运算。本设计的主要功能是实现加运算。存储器;用来存放程序和数据的部件。它以单元为单位进行线性编址按地址读写器单元。输入输出设备;模型机由输入设备从外不想理模型机内部输入数据，通过输出设备将信息输出显示给我们看。控制器：负责协调上述部件的操作，发出控制命令，是模型机的指挥中心，内部的运行全靠此来协调完成。他从存储器中取出指令，进行分析，然后发出有该指令规定的一系列微操作命令，通过控制所有的其他部件来完成指令规定的功能。其中：运算器和控制器组成的计算机中的中央处理器，即cup。（三）指令设计分析：在了解了各硬件的功能后，根据所学的有关计算机组成原理的知识设计指令系统，Cup从主存中取出一条指令到执行这条指令的所有操作所需要的时间通常成为一个指令周期。计算机的工作基本上体现为执行指令。一台计算机所能执行的全部指令的集合，成为该计算机的指令系统。计算机的性能与指令系统有着很大的关系，指令系统不仅与计算机的硬件结构密切相关，而且关系到用户的使用和编辑程序及运行效率率，所以一个完整的指令系统应该满足下列要求;完备性，有效性，规整性，兼容性指令是由二进制代码表示的，未能够表示不同的要素，可以将指令分成不同的字段。一般的的格式为：操作码op地址码A1、 操作码指令的操作码有两种编码格式，一种是等长操作码，一种是变长操作码。等长操作码可以简单硬件设计，减少指令译码时间，由于我们设计的是简单的模型机，所以采用等长操作码2、地址码：根据一条指令有多少个操作数地址。可以将该指令成为多少地址指令。3、寻址方式：考虑到各种情况我们先采用直接寻址的方式来完成此次课程设计的基本目的（四）机器指令设计：此次设计采用五条机器指令:IN,ADD,STA,OUT,JMP 机器指令 助记符 说 明 0000 0000xxxxxxxx IN “INPUT DEVICE”中的开关状态R0 0001 0000xxxxxxxx ADD addr R0+addr R0 0010 0000xxxxxxxx STA addr R0addr 0011 0000xxxxxxxx OUT addr addr LED 0100 0000xxxxxxxx JMP addr addr PC 其中，IN为单位字长（8）位，其余为双子长指令，xxxxxxxx为addr对应的二进制地址码。 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的微程序。 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进行连续手动读出。存储器写操作（KWE）;拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB SWA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：波动总清开关CLR后，控制台开关SWB SWA为“1,1”时。按START微动开关，即可转入到第01号“取址“微指令，启动程序运行。上述控制台指令用两个开关SWB SWA的状态来设置，其定义如下：SWB SWA控制台指令 0 0 读内存（ KRD） 0 1 写内存（ KWE） 1 1 启动程序（RP）（五）根据所学知识和查资料所得设计的模型机如下：1、 初步确定基本的硬件结构其如下图所示：2、数据通路框图：3 、课程设计的接线图：见附录一以上硬件部分设计基本完成（六）、微指令的设计：1、 微代码定义：2、微程序流程图：系统涉及到的微程序流程如下图，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（1）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（1） 的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前位（IR7IR4）作为测试条件，出现路分支，占用个固定微地址单元。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，出现了路分支，占用个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，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。注意：微程序流程图上的单元地址为进制。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表72 即为将图72 的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。2、微程序设计完后，将每条微指令代码化，即将上图微程序流程图按微指令的指令格式转化而成的二进制微代码表如下（微代码可以设计为八的整数倍，但由于考虑到位数太少会功能不齐全，所以采用十六位）下面介绍指令寄存器（IR）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P（1），通过节拍脉冲T4 的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”（实验板上标有“INS DECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O 设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUT DEVICE）；另一种是数码块，它作为输出设备（OUTPUT DEVICE）。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到数据总线上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。本模型机设计机器指令程序如下：地 址（二进制） 内 容（二进制） 助记符 说 明0000 0000 0000 0000 IN R0 “INPUT DEVICE”- R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AH -R00000 0010 0000 10100000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R0- 0BH0000 0100 0000 10110000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH- LED0000 0110 0000 10110000 0111 0100 0000 JMP 08H 00H- PC0000 1000 0000 00000000 10010000 1010 0000 0001 自定0000 1011 求和结果到此为止，我们已经把前期设计工作做好，接下来的工作就是测试工作五、测试程序（一）上面的电路图连接好电路图。（二）装载和写入程序 一般有两种方法：一种是联机装载程序，一种是手动写入我们采用的是联机装载程序的方法按照规定格式，将机器指令及微指令二进制表编辑成十六进制的如下格式文件（微指令格式中的微指令代码为将24为微代码按从左到右分成8位，将此三个8位二进制代码化为相应的十六进制数即可）使用联机软件的转储-装载功能，将以上格式文件装载入试验系统的主存和控制存储器之中。（三）测试运行程序： 单步运行程序. 使编程开关处于“RUN”状态，STEP 为“STEP”状态，STOP 为“RUN”状态。. 拨动总清开关CLR（-），微地址清零，程序计数器清零。程序首址为00H。. 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。对照自己设计的微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。. 当运行结束后，可检查存数单元（0BH）中的结果是否和理论值一致,检测指令是否和自己设计的指令所要完成的任务一至。 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CLR 开关，清微地址及程序计数器，然后按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。. 停机后，可检查存数单元（0BH）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（-）清零后，程序首址为00H。(同时也可以按相应功能键即可联机运行、调试程序。)（四）调试过程中的截图见附录二：三、课程设计总结 通过本次课程设计，让我更深的了解计算机从部件到整个组成的组织结构和工作原理，让我了解了各个阶段指令的执行过程，进而更进一步的了解CPU的工作机制，从而为我们以后的工作提供一定的硬件基础知识。 本次设计分为三个部分：第一部分是设计硬件部分，从各方面考虑和通过查阅资料，将连接线路图从设计到连接好。第二部分是，设计指令，从机器指令到微指令。各条指令的设计以及其功能，再将它们衔接好，以完成所要完成的目的、功能。第三部分是对前两部分的检验，检验我们的连线是否正确有没有遗漏，有没有错位。当检查好后，就是对指令的测试，这也是对我们设计的简单模型机的性能的检验，查核对照我们设计的指令是否可以通过，是否可以完成我们预期想要达到的目的。当检查好并通过测试后我们的课程设计基本上已经完成。 由于计算机设计的部件比较多，结构原理比较复杂，对于我们这种初学者来说刚开始无从下手。但是在老师的详细的讲解和引导下，还有和同学的积极讨论，大概有了一个粗略的认识，后来我们又查阅了很多资料，通过提出各种问题，到解决各种问题，从不懂到了解再到深入体会，最终我们完成了此次的课程设计。在这期间我们有苦恼也有快乐