《计算机组成原理》课程设计.doc

组成原理课程设计 20092102750 包满卓 内蒙古师范大学计算机与信息工程学院计算机组成原理课程设计报告题目:复杂模型机的组成与程序运行姓 名 包满卓学 号20092102750班 级09计科师范蒙指导教师松云日 期2012.07.51 任务描述 设计题目名称:复杂模型机的组成与程序运行要求:综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机2 设计设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套3 设计原理和方法3.1 数据格式模拟机采用定点补码表示法表示数据，字长8位，8位全用来表示数据。3.2 指令设计模拟机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令，控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算、设计有6条运算指令，分别为；ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址，控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共六条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器好人存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。3.3 指令格式所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT 和 MOV）格式如下： 7 6 5 4 32 10 OP-CODE RS RD 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 0001 10 11 R0R1 R2 R3 IN和OUT的指令格式为： 7 6 5 4 （1） 32 （1） 10 （1） 7-0 （2） OP-CODE RS RD P 其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-CODE为操作码，RS 为源寄存器， RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节。 系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。 LDI的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数： 7 6 5 4 （1） 32 （1） 10 （1） 7-0 （2） OP-CODE RS RD data LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下： 7 6 5 4 （1） 32 （1） 10 （1） 7-0 （2） OP-CODE M RD D 其中M为寻址模式，具体见表如下，以R2作为变址寄存器RI。 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编制寻址 相对寻址3.4 指令系统 本模型机共有 有基本指令，下面列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。 指令描述 助记符号 指令格式 指令功能 AND RD,RS 0001 RS RD RD与RS-RD STA M D,RS JMP M D BZC M D 1101 M RD D 1110 M * D 1111 M * D RD-E E-PC E-PC IN RD,P OUT P,RS 0010 * RD D 0011 RS * P P-RD RS-P LDI RD,D 0110 * RD D D-RD HALT 0101 * * 停机 3.5 总体设计 模型机的数据通路框图根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图所示。按照系统建议的微指令格式，见表，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，见表，并将二进制代码表转化为联机操作时的十六进制格式文件。 表 微指令格式23 22 21 20 1918-1514-1211-98-6 5-0M23 CN WR RDIOMS3-S0A字段B字段C字段UA5-UA014 13 12选择 0 0 0 NOP 0 0 1 LDA 0 1 0 LDB 0 1 1 LDRi 1 0 0 保留 1 0 1 LOAD 1 1 0 LDAR 1 1 1 LDIR A字段 B字段 C字段11 10 9选择 0 0 0 NOP 0 0 1ALU-B 0 1 0 RS-B 0 1 1 RD-B 1 0 0 RI-B 1 0 1 保留 1 1 0 PC-B 1 1 1 保留 8 7 6选择 0 0 0 NOP 0 0 1 P 0 1 0 P 0 1 1 P 1 0 0 保留 1 0 1 LDPC 1 1 0 保留 1 1 1 保留 NOPINLDIANDSTAOUTDEC直接BZCJMPHLT010101010101010101010908323631110607200C001F1E3D33370A10123C1C1D0C0E0F0B1B0BYN350330MEMIRPPC-ARPC加1RDAA减1RDPCARPC加1MEMAMEMARNOPPNOPAPCPNOPAPCPCARPC加1MEMARRSIOPC-ARPC加1MEMARMEMAMEMARPRD MEM RDARSBA与BRDPCARPC加1MEMRDMEMARIORDPCARPC加1 微程序流程图实验接线图 根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。 地址 内容 助记符 说明 机器指令 00000000 00000001 00100001 00000000 START IN R1,00H 从IN单元读入初值 00 21 01 00 00000010 00000011 01100010 00001111 LDI R2，0FH 立即数0FH送计数R2 02 62 03 0F 00000100 00011001 AND R1，R2 得到R1低四位 04 19 00000101 00000110 11010100 00010000 STA 01，10H,R1R1-10H，间接寻址 05 D5 06 10 00000111 00001000 00001001 00001010 11000000 10000000 00110000 01000000 LAD 10H,R0 OUT 40H，R010H单元的内容在OUT 单元显示，直接寻址 07 C0 08 10 09 30 0A 40 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 11000011 00010010 01100010 00000001 10001011 LAD 12H，R3 LDI R2，01H SUB R3，R212H单元内容减1，直接寻址 DEC 12H 0B C3 0C 12 0D 62 0E 01 0F 8B 00010000 00010001 11110000 00010100 LOP:BZC EXIT 10 F0 11 14 00010010 00010011 11100000 00001111 JMP LOP 跳转至LOP 12 E0 13 0F 00010100 01010000 EXIT:HLT 停机 14 50地址十六进制高五位S3-S0A 字段B 字段C 字段后继位地址0000 00 01000000000 000 000 0000000010100 6D 43000000000 110 110 1010000110310 70 70000100000 111 000 0011100000600 24 07000000000 010 011 0000001110701 32 01000000010 011 001 0000000010810 60 09000100000 110 000 0000010010918 30 01000110000 011 000 0000000010A10 60 10000100000 110 000 0000100001028 04 01001010000 000010 0000000011110 30 01000100000 011 000 0000000010C10 30 01000000000 010 011 0000101000D20 06 01000001011 011 001 0000000010E00 53 41000000000 101 001 1010000011300 24010 011 0000101001405 B2 01000001011 011 001 0000000011C10 10 1D000100000 001 000 0000111011D10 60 8E000100000 110 000 0100011101E10 60 1F000100000 110 000 0000111111F10 10 20000100000 001 000 0001000002010 60 8D000100000 110 000 0100011013100 16 060000000000010110000001103200 6D 480000000001101101010010003300 6D 4A0000000001101101010010103500 00 350000000000000000001101013600 6D 510000000001101101010100013C00 6D 5C0000000001101101010111003D00 6D 5E0000000001101101010111103800 16 130000000000010110000100114 代码清单 INR1，00H ；从端口00（IN 单元）读入数据送R1LDIR2，0FH ；将立即数0FH装入R2AND R1，R2；R1*R2 - R1STA01，10H，R1；R1-10H，间接寻址OUT40H，R1 ；10H单元的内容在OUT 单元显示，直接寻址DEC12H；12H单元内容减1，直接寻址LOP:BZCEXITJMPLOPEXIT:HLT$P 00 21 ; START: IN R1,00H 从IN 单元读入计数初值$P 01 00$P 02 62 ; LDI R2,0FH 立即数0FH 送R2$P 03 0F$P 04 19 ; AND R1,R2 $P 05 D5 ; STA 01,10H,R1 R1-10H，间接寻址$P 06 10$P 07 C0 ; LAD 10H,R0 $P 08 10$P 09 30 ; OUT 40H,R0$P 0A 40 $P 0B C3 ; LAD 12H,R3$P 0C 12 $P 0D 62 ; LDI R2,01H$P 0E 01 $P 0F 8B ; LOP SUB R3,R2$P 10 F0 ; BZC,EXIT$P 11 14 $P 12 E0 ; JMP LOP$P 13 0F ; $P 14 50 ; EXIT:HCT$P 10 12 ; 数据$P 12 03; /* Start Of MicroController Data */$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC-AR, PC 加1$M 03 107070 ; MEM-IR, P$M 06 002407 ; RS-B$M 07 013201 ; A 与B-RD$M 08 106009 ; MEM-AR$M 09 183001 ; IO-RD$M 0A 106010 ; MEM-AR$M 10 280401 ; RS-IO$M 11 103001 ; MEM-RD$M 0C 103001 ; MEM-AR$M 0D 200601 ; RS-IO$M 0E 005341 ; MEM-RD$M 13 002414 ; RS-B$M 14 05B201 ; A 减B-RD$M 1C 10101D ; RS-IO$M 1D 10608E ; MEM-RD$M 1E 10601F ; RS-B$M 1F 101020 ; A 减B-RD$M 20 10608D ; A 减B-RD$M 31 001606 ; RD-A$M 32 006D48 ; PC-AR, PC 加1$M 33 006D4A ; PC-AR, PC 加1$M 35 000035 ; NOP$M 36 006D51 ; PC-AR, PC 加1$M 3C 006D5C ; NOP$M 3D 006D5E ; PC-AR, PC 加1$M 38 001613 ; RD-A5 设计运行结果分析错误分析:首先，没有对其置数，使得结果一直为零，其次是没有对其进行清零，使得程序在运行过程中数据错乱，之后代码写错，一个是录入错误，由于马虎所致，在一个就是代码进行编错，尤其在【10H】那块，最后在OUT40H，10H 中用R1代替了10H。并且删除STA01，10H，R1，在整个过程中，DEC并没有给出相应的自减操作码，最终是用别的运算功能代替的。在运行的过程中，有一段时间，程序一直循环一挑指令，最后清零之后，重启好了。