计算机组成原理课程设计.docx

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