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文档简介
附件一 湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 计算机与通信 学院(系、部) 2015 2016 学年第 2 学期 课程名称 计算机组成原理 指导教师 杨伟丰 职称 教授 学生姓名 顾宏亮 专业班级 软件1403 学号题 目 复杂模型机的设计 成 绩 起止日期 2016 年 6 月 20日 2016 年 6月21 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13张456附件二 湖南工业大学课程设计任务书2015 2016 学年第 2 学期 计通 学院(系、部) 软件 专业 1403 班级课程名称: 计算机组成原理 设计题目: 复杂模型机的设计 完成期限:自 2016 年 6 月 20 日至 2016 年 6 月 21 日共 1 周内容及任务1.根据复杂模型机的指令系统,编写实验程序2.按图连接实验线路,仔细检查线路无误后接通电源。3.写程序4.运行程序进度安排起止日期工作内容2016.6.20-2016.6.21连接线路进行实验主要参考资料唐朔飞.计算机组成原理.北京:高等教育出版社指导教师(签字): 年 月 日系(教研室)主任(签字): 年 月 日附件三设计说明书计算机组成原理复杂模型机的设计起止日期: 2016 年 6月 20 日 至 2016 年 6 月 21 日学生姓名顾宏亮班级软件1403学绩指导教师(签字)计算机与通信学院(部)2016年 7月 1日设计题目:复杂模型机的设计一、设计目的综合运用所学计算机原理知识,设计并实现较为完整的模型计算机。二、设计内容根据复杂模型机的指令系统,编写实验程序,并运行程序,观察和记录运行结果。三、预备知识1、数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据,且字长为8位,其格式如下:数据位数D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0用途符号尾数其中第7位为符号位,数值表示范围是:1X1。2、指令格式模型机设计四大类指令共十六条,其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问存储器、转移指令和停机指令。(1)算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示,寻址方式采用寄存器直接寻址,其格式如下:数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作码(OP-CODE)源寄存器(RS)目的寄存器(RD)规定:选中的寄存器(RS或RD)R0R1R2寄存器的编码000110算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表23。(2)访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令,即存数(STA)、取数(LD),2条转移指令,即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC),指令格式为:数据位数D7 D6D5 D4D3 D2D1 D0D7D0用途00寻址模式M操作码OP-CODE目的寄存器编码RD位移量D其中,OPCODE为操作码,rd为目的寄存器地址(LD、STA指令使用)。D为位移量(正负均可),M为寻址模式,其定义如下:寻址模式M有效地址E说明D直接寻址(D)间接寻址(RI)+DRI变址寻址(PC)+D相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。(3)I/O指令输入(IN)和输出(OUT)指令采用单字节指令,其格式如下:数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作码(OP-CODE)地址(addr)目的寄存器(RD)其中,在IN 指令中,addr=01,选中“INPUT”中的开关组作为输入设备,在OUT指令中,addr=10时,表示选中“OUTPUT UNIT”中的数码块作为输出设备。(4)停机指令指令格式如下:数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0值01100000HALT指令,机器码为60H,用于实现停机操作。3、指令系统复杂模型机共有16条基本指令,其中算术逻辑指令7条,访问内存指令和程序控制指令4条,输入输出指令2条,其它指令1条。表2-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表2-3 复杂模型机指令系统助记符指令格式指令长度(字节数)指令功能第一字节第二字节CLR rd01 11 00 rd无10RDMOV rs,rd10 00 rs rd无1RSRDADC rs,rd10 01 rs rd无1RS + RD + cy RDSBC rs,rd10 10 rs rd无1RS - RD - cy RDINC rd10 11rd无1RD + 1RDAND rs,rd11 00 rs rd无1RS RD RDCOM rd11 01rd无1RDRRC rs,rd11 10 rs rd无1RS带进位循环右移一位,然后RSRDRLC rs,rd11 11 rs rd无1RS带进位循环左移一位,然后rsRDLAD M,D,rd00 M 00 rdD2有效数据E RDSTA M,D,rd00 M 01 rdD2RD有效地址EJMP M,D00 M 10 00D2有效数据EPCBZC M,D00 M 11 rdD2当CY=1或ZI=1时,有效数据EPCIN rd01 00 01 rd无1INPUT设备的数据RDOUT rd01 01 10 rd无1RDOUTPUT UNITHALT01 10 00 00无1停机四、设计环境1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验系统 一台2、排线 若干3、PC机 一台五、设计原理复杂模型机的数据通路框图如图1。根据机器指令系统要求,设计微程序流程图及确定微地址。图1 复杂模型机数据通路框图按照系统建议的微指令格式,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,并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC六、设计步骤1、根据复杂模型机的指令系统,编写实验程序。实验例程如下:本实验完全使用寄存器操作。程序首先从数据输入开关采集数据放入R0中,经循环左移两次放入R1中。然后再次从数据输入开关采集数据放入R0中,经循环右移一次与R1中的数据相加,其结果送到R1中,然后判断加法的结果是否有进位或为全零,若是就循环运行,否则,输出结果到数码管上显示。实验的机器指令程序如下:地址 内 容 助记符 说 明00 44 IN R0 ;INPUT数据R0,第一次采集数据(设输入数据为14H)01 F0RLC R0, R0;R0带进位左循环移位一次02 F1RLC R0, R1;第二次左移后保存到R1中03 44 IN R0 ;输入开关数据R0,第二次采集数据(设输入数据仍为14H)04 E0RRC R0, R0;R0带进位右循环移位一次05 91ADC R0, R1;两数据相加 06 0CBZC 00;若有进位或结果为零,则跳到00地址单元07 0008 59OUT R1;R1 OUTPUT UNIT 显示;09 60HALT;停机以上程序的机器指令如下:$P0044 $P01F0 $P02F1$P0344 $P04E0 $P0591$P060C $P0700 $P0859$P0960微程序$M00018108 $M0101ED82 $M0200C050$M0300A004 $M0400E0A0 $M0500E006$M0600A007 $M0700E0A0 $M0801ED8A$M0901ED8C $M0A00A03B $M0B018001$M0C00203C $M0D00A00E $M0E01B60F$M0F95EA25 $M1001ED83 $M1101ED85$M1201ED8D $M1301EDA6 $M14001001$M15030401 $M16018016 $M173D9A01$M18019201 $M1901A22A $M1A01B22C$M1B01A232 $M1C01A233 $M1D01A236$M1E318237 $M1F318239 $M20009001$M21028401 $M2205DB81 $M230180E4$M24018001 $M2595AAA0 $M2600A027$M2701BC28 $M2895EA29 $M2995AAA0$M2A01B42B $M2B959B41 $M2C01A42D$M2D05AB6E $M2E0DAA2F $M2F01AA30$M300D8171 $M31959B41 $M32019A01$M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41$M360D9A01 $M37298838 $M38019801$M3919883A $M3A019801 $M3B070A08$M3C068A092、按图2-9连接实验线路,仔细检查线路无误后接通电源。(图中箭头表示需要接线的地方,接总线和控制信号时要注意高低位一一对应,可用彩排线的颜色来进行区分)图2-9 复杂模型机实验3、写程序对于本实验箱可以用两种方法来写入程序。方法一:联机读/写程序按照规定格式,将机器指令及微指令编辑成十六进制的规定格式文件,已经在前面列出。使用联机软件的文件装载将实验程序和微程序下载到实验箱中,并用软件的读出功能进行检查。本实验参考程序对应的文件名为“复杂模型机.TXT”(联机软件的使用方法参看附录2)。方法二:手动写入(1)先将机器指令对应的微代码正确地写入28C16中,可以参照实验1.7微程序控制器的组成与微程序设计实验中微代码的写入方法,将本实验对应的微代码写入E2PR0M芯片中,对照前面的微程序内容校验正确后就可使用。(2)使用控制台WRITE和READ微程序进行机器指令程序的手动装入和检查,其操作如下:A、使SIGNAL UNIT单元的SP03为“STEP”状态,SP04为“RUN”状态,CONTROL UNIT的开关SP05处于“NORM”状态,开关SP06处于“RUN” 状态。B、拨动SWITCH单元的总清开关CLR(101),微地址寄存器清零,程序计数器清零。然后使SWITCH单元的SWB、SWA开关设置为“01”,按动一次CONTROL UNIT的触动开关START,微地址显示灯显示“001001”,再按动一次START,微地址灯显示“001100”,此时数据开关的内容置为要写入的机器指令,按动两次START键后,即完成该条指令的写入。若仔细阅读WRITE的流程,就不难发现,机器指令的首地址总清后为零,以后每个循环PC会自动加1。所以,每次按动START,只有在微地址灯显示“001100”时,才设置内容,直到所有机器指令写完。C、校验。拨动SWITCH单元的总清开关CLR(101),微地址清零。PC程序计数器清零,然后使SWITCH单元的开关SWB、SWA为“00”,按动CONTROL UNIT的触动开关START,微地址灯将显示“001000”,再按START,微地址灯显示为“001010”,第三次按START,微地址灯显示为“111011”,再按START后,此时OUTPUT单元的数码管显示为该首地址中的内容。不断按动START,以后每个循环PC会自动加1,可检查后续单元内容。每次在微地址灯显示为“001000”时,是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。4、运行程序方法一:联机运行程序首先使各个开关的状态为:SIGNAL UNIT中的SP03开关设置为“STEP”状态。SP04开关设置为“RUN”状态;CONTROL UNIT的开关SP05处于“NORM”状态, SP06处于“RUN” 状态;SWITCH单元的开关SWB、SWA为“11”。使SWITCH单元的总清开关CLR(101)清零后,程序首址为00H。通过联机软件进入调试界面(其操作方法参见附录2系统联机操作软件说明),可以通过调试程序的操作界面控制程序的运行,同时观察运行过程和结果。方法二:手动运行程序 (1)单步运行程序 A、使CONTROL UNIT的开关SP05处于“NORM”状态, SP06处于“RUN”状态,SIGNAL UNIT中的SP03为“STEP”状态,SP04为“RUN”状态,SWITCH单元的开关SWB、SWA为“11”。 B、拨动SWITCH单元的总清开关CLR(101),微地址清零,程序计数器清零,程序首址为00H。 C、单步运行微指令,每按动一次CONTROL UNIT的START触动开关,即单步运行一条微指令。对照微程序流程图2-8,观察微地址显示灯MA5-MA0是否和流程一致。 D、当运行结束后,可检查运行结果是否和理论值一致。如果运行结果保存在RAM的某一个单元中,则可以使用手动写入中的校验方法将其读出。 (2)连续运行程序 A、使CONTROL UNIT的开关SP05处于“NORM”状态, SP06处于“RUN”状态,SIGNAL UNIT 中的SP03为“RUN”状态,SP04为“RUN”状态,SWITCH单元的开关SWB、SWA为“11”。B、拨动SWITCH单元的总清开关CLR(101),微地址及程序计数器清零,然后按动CONTROL UNIT的START触动开关,系统连续运行程序,稍后将SIGNAL UNIT中的SP04拨至“STOP”时,系统停机。C、停机后,可检查运行结果是否正确。如果运行结果保存在RAM的某一个单元中,则可以使用手动写入中的校验方法将其读出。7、 实验总结,心得体会经过这次课程设计我了解了很多知识,也学到了一些课本中没有的知识点,实践给我们带来了很多快乐,但是在这快乐中我们有着艰辛,在我们接完线的时候,去运行机器总是出错,我们一步一步的检查,到最后一遍又一遍的重新连线,到最后终于成功了,心里有着一般人没有的喜悦。计算机设计与实践实验课程不仅仅是对理论的验证,重要的是技术训练和能力培养,包括动手能力、分析问题和解决问题的能力、书写能力和表达能力、团队协作能力等的培养也就是要注重学生的工程能力,培养学生完成项目实践的能力,同时,要培养学生交流的能力,能够很好地表达自己的设计思想,这也是工程实践中必不可少的。因此,在整个课程中,指导教师多次与学生交流设计方案,让学生在与老师的交流中逐渐理解处理器的工作原理。同时,培养学生书写报告的能力,很多学生只注重编程序,而不重视课程报告的撰写,这需要老师的引导和成绩比例分配的导向,让学生真正理解报告不仅是写给老师看的,更重要的是真正通过报告的形式提交自己的设计思想。通过口头交流和文
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