计算机组成原理课程设计报告.doc

课程设计报告 课程设计名称：计算机组成原理设计项目名称：基本模型机设计与实现专 业 名 称：计算机科学与技术班 级：学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 2009年12月10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 规定项目任务和要求 32.2 规定项目实现原理 32.3 规定项目实现过程 4第3章 制定应用项目的设计实现 6第4章 收获、体会和建议 13参考文献 13评语 14第1章 设计概述1.1 课程设计的教学目的 本课程设计的教学目是在掌握计算机系统的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TDN-CM+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,设计一个微程序控制器。2. 设计给定机器指令系统以及微程序流程图,按微指令格式写出微程序的为指令代码。3. 连接逻辑电路完成启动,测试,编程,测试,效验和运行,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,建立计算机整机的概念,掌握计算机的控制机制。7. 按指定的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TDN-CM+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 规定项目任务和要求 任务：在本设计中，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。 要求：通过此验证实验来学会数据通路电路图的连接、机器指令的设计、微指令设计中相关字段的作用、微程序流程图的设计以及能熟练掌握用微程序控制数据通路来实现机器指令的功能，为以后的实验设计做好准备。 2.2 规定项目实现原理 1在本设计中，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。2本设计采用五条机器指令：IN、ADD、STA、OUT、JMP；其相应的机器指令和汇编程序如下： 地址(二进制) 内容(二进制) 助记符 注释 0000 0000 0000 0000 IN R0 ；“INPUT DEVICE” R00000 0001 0001 0000 ADD 0AH, R0 ；R0 +0AH R00000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0 ,0BH ；R00BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH ；0BHLED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H ；00HPC0000 1000 0000 00000000 10010000 1010 0000 0001 ；定义数据0000 1011 ；存放结果2.3规定项目实现过程1连接线路按图1链接实验线路。最后保证实验中的各个原件及数据线路如图2所示。图1 接 线 图图2 数据通路框图 2读懂项目给出的程序按照规定格式，机器指令及微指令二进制代码表已编辑成十六进制文件。本项目的程序如下：程序 机器指令格式说明$P0000 $P060D $PXX XX$P0110 $P0740 机器指令代码$P020A $P0800 $P0320 $P0A01 十六进制地址$P0530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 $M17070A10$M18068A113 联机运行验证 三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表1：表1 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)联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，调整控制台，使SWA=1，SWB=0，即启动程序。接着选择(运行)(通路图)(复杂模型机)功能菜单打开相应的动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。在验证过程中，首先采用单步运行，仔细看每一条机器指令的执行过程，明白其每一步对应的微指令，为下一步完成项目的设计实现打下基础。2.4验证结果从输入设备输入的数字07，联机运行，得到的输出结果是08，与理论计算结果一致。说明微程序控制实现了机器指令的功能。第三章 指定应用项目的设计实现3.1 指定项目任务和要求 从输入设备读取数据X并将其存入以K为间接地址的内存单元，执行2X运算，结果送到以K为直接地址的内存单元下面第二个单元保存。3.2 项目任务分析及解决方案从输入设备开关置数X=08，将其放在R0 中寄存；使用STA指令将R0保存在以11H为间接地址的内存13H中；用ADD指令从11H取出X与R0中的X相加得到2X存入17H中；使用NOT指令将X取反放入R0中；使用AND指令将2X与求与运算，将结果放入13H中；最后输出2X的值在数码管显示。3.3 设计原理 1在本设计中，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。2本设计采用八条机器指令：IN、STA1、ADD、STA2、NOT、AND、STA3、OUT；其指令格式如表2：指令助记符操作码地址码功能说明IN0000 0000数据开关状态R0STA 1 A0001 0000XXXX XXXXR0AADD A0010 0000XXXX XXXXR0+AR0STA2 A0011 0000XXXX XXXXR0ANOT A0100 0000XXXX XXXXR0AND A0101 0000XXXX XXXXAR0STA3 A0110 0000XXXX XXXXR0AOUT A0111 0000XXXX XXXXALED 表2其相应的机器指令和汇编程序如下表：地址（二进制）内容（二进制）助记符注释0000 00000000 0000IN R0“INPUT DEVICER00000 00010001 0000STA1 R0,11H间接寻址0000 00100001 00010000 00110010 0000ADD 13H,R013H+R0R00000 01000001 00110000 01010011 0000STA2 R0,17HR017H0000 01100001 01110000 01110100 0000NOT 13HX求反R00000 10000001 00110000 10010101 0000AND R0,17H17HR0R00000 10100001 01110000 10110110 0000STA3 R0,15HR015H0000 11000001 01010000 11010111 0000OUT 15H15HLED0000 11100001 01010001 00010001 0011放间接地址K0001 0011地址K:自定数存放0001 0101最终结果存放0001 01112X结果存放 表33、模型机数据通路原理框图 图34、参数赋值X=08K=11H11H=13H13H=X5、微指令格式如表4所示。当微指令格式确定以后，就需要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得分支地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误。对于其它位置就可以按一条微指令对应一个微地址随意填写。表4 微指令格式24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A4A3A2A1A0A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RSB001P(1)010LDDR1010010011LDDR2011011100LDIR100100P(4)101LOAD101ALUB101110LDAR110Pc-B110LDPC6、微程序流程图运行微程序PCARPC+1RAMBUSBUSIRP（1）PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1PCARPC+1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSARR0BUSBUSRAMSW-R0RAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR2R0DR1(DR1)+(DR2)R0RAMBUSBUSARINR0BUSBUSRAMRAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR1(DR1)-DR1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR2R0DR1(DR1)(DR2)R0RAMBUSBUSARR0BUSBUSRAMRAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR1DR1LEDSTA1ADDSTA2NOTANDSTA3IN01010101010147011011121314151617030405062531344042072632354143454633364401021037RAMBUSBUSARRAMBUSBUSAR5051 图47、微程序代码设计微地址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表48、联机程序程序 机器指令格式说明$P0000 $PXX XX $P0110 机器指令代码$P0211 十六进制地址$P0320$P0411$P0530$P0617$P0740$P0811$P0950$P0A17$P0B60$P0C13$P0D70$P0E13$P1112$P1200$P1300$P1400$P1500$P1600$P1700微程序 微指令格式说明$M00018110 $M XX XXXXXX$M0101ED82 微指令代码$M0200C048 十六进制地址$M0300E004$M0400E005$M05028201$M0600E007$M0700B025$M08001001$M0901ED83$M0A01ED86$M0B01ED95$M0C01ED99$M0D01ED9C$M0E01EDA0$M0F01EDA2$M1001ED92$M1101ED94$M1200A017$M13018001$M14002018$M1500E016$M16028201$M17070A10$M18068A11$M1900E01A$M1A00A01B$M1B599A01$M1C00E01D$M1D00B01E$M1E01A21F$M1FB99A01$M2000E021$M21028201$M2200E023$M2300A024$M24070A27$M2501A226$M26959A01$M27018127$M2800E007$M2900E01A3.4 程序运行分析及讨论本次设计X=08H,将其放入13H中通过K=11H间接找到，然后与自己相加得到2X放入17H，然后X求非和2X求与运算放入13H。然后在由数码管显示。第一条机器指令IN将从键盘输入的X=08H存入寄存器R0中第二条机器指令STA1将03H存在地址为11H为间接地址的内存单元中，第三条机器指令MOV将B0H的内容X=08H送到R0中，第四条机器指令ADD将R0中的内容和11H中的内容进行加法运算结果为10H 放到R0中第五条机器指令STA2将R0中的数10H存入17H中第六条机器指令NOT将11H中的数08H取出进行逻辑非运算结果为F7H放到R0中，第七条机器指令AND将17H中的数F7H取出和R0与运算结果为10H放到R0中，第八条机器指令STA3将将寄