计算机组织与体系结构课程设计报告

1 学学 院院 计算机组织与体系结构计算机组织与体系结构 课程设计报告课程设计报告 题目 题目 具有逻辑运算及跳转功能的复杂模型机设计 姓名 姓名 学号 学号 200 1 系别 系别 计算机学院 专业班级 专业班级 班 同组同学 同组同学 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 2011 9 05 2011 9 09 一 课程设计要求及目的一 课程设计要求及目的 1 设计要求 2 课程设计是将我们所学的课程的理论知识与实践相结合的实验 本课程设计我们所选的题目是具有逻辑运算及跳转功能的复杂模型 机设计 我们要设计出具有逻辑运算及跳转功能的机器指令 再写 出指令对应的微程序 然后按照复杂模型机的电路图在实验箱上接 线 然后与电脑联机执行 并观察执行过程和输出结果 2 设计目的 1 复杂模型机系统分析与设计 利用所学的计算机组成原 理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务 从而建立清晰完 整的整机概念 2 掌握各个单元模块的工作的原理 进一步将其组成完整的 系统 构造一台基本的复杂模型机 3 学会规划读 写内存 寄存器 数值计算等功能 并且编 写相应的机器指令和微程序 在具体上机的过程中 观察设计出的模 型机的执行情况 根据输出的结果做出分析 从而更好的掌握计算 机组成原理的知识 二 机器指令的设计和微程序设计原理二 机器指令的设计和微程序设计原理 计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成 CPU 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于一组微程序 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 3 其中第 7 位为符号位 数值表示范围是 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 访问及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 其中 OP CODE 为操作码 rs 为源寄存器 rd 为目的寄存器 并规定 9 条算术逻辑指令的名称 功能和具体格式见表 7 2 1 4 2 访问指令及转移指令 5 模型机设计 2 条访内指令 即存数 STA 取数 LDA 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 其中 OP CODE 为操作码 rd 为目的寄存器地址 LDA 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 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 其中 addr 01 时 选中 INPUT DEVICE 中的开关组作为输 入设备 addr 10 时 选 中 OUTPUT DEVICE 中的数码块作为输 6 出设备 4 停机指令 指令指令格式如下 HALT 指令 用于实现停机操作 3 指令系统 本模型机共有 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 7 2 1 列出了各条指令的格式 汇编符号 指令功能 4 总体设计 本模型机的数据通路框图如图 7 2 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 如图 7 2 2 7 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 8 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 见表 7 2 2 5 74LS181 芯片的功能表 9 6 微程序设计 如下是机器指令格式说明和微指令格式说明 三三 总体设计总体设计 1 机器指令的设计 1 机器指令的助记符为 START IN 01 R0 R0 15H MOV R0 R1 INC R1 AND R0 R1 RLC R1 R2 OUT 10 R2 JMP 00 START HALT 2 将助记符转换为指令 I IN 01 R0 对应的指令格式为 0100 0100 即 16 进制的 44 II MOV R0 R1 对应的指令格式为 1000 0001 即 16 进制的 81 III INC R1 对应的指令格式为 1011 0101 即 16 进制的 B5 IV AND R0 R1 对应的指令格式为 1100 0001 即 16 进制的 C1 10 V RLC R1 R2 对应的指令格式为 1111 0110 即 16 进制的 F6 VI OUT 10 R2 对应的指令格式为 0101 1010 即 16 进制的 5A VII JMP 00 START 对应的指令格式为 0000 1000 0000 0000 即 16 进制的 08 和 00 VIII HALT 对应的指令格式为 0110 0000 即 16 进制的 60 3 根据机器指令的格式可以编成的机器指令为 P0044 P0181 P02B5 P03C1 P04F6 P055A P0608 P0700 P0860 2 微程序流程图 根据机器指令可以画出微程序流程图如下 其中的地址为 16 进制 11 3 微代码的设计 1 微代码设计原理 按照课程设计中微指令格式 参照微程序流程图 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 见表 7 2 2 12 其中 uA0 uA5 为 6 位的后续微地址 即下地址字段 A B C 为 三个译码字段 分别由三 八译码器译码出多位 C 字段中的 P1 P4 是四个测试字位 其功能是根据机器指令及相应微代码进行译 码 使微程序转入相应的为地址入口 从而实现微程序的顺序 分 支 循环运行 在上述各测试下址中未用到的位均直接保留 AR 为算术运算是 否影响进位及判零标志控制位 其为零有效 B 字段中的 RS B RD B RI B 分别为源寄存器选通信号 目的寄存器选通信号及 变址寄存器选通信号 其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存 器 R0 R1 及 R2 的选通译码 三字段中的其他位类似与此 均是某 芯片的控制信号 它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的 选择译码 2 二进制代码的转换 根据微程序流程图 微地址和程序执行时的控制信号可编成以 下二进制代码 微地址 S3 S2 S1 S0 M WE ABCuA5 uA0 13 CNA9A8 00011000000100 01011110110110 02001100000001 03001010000000 04001110000010 10011110110110 14000001000000 15110000010000 18011001001000 1B011010001000 1C011010001000 1F011000001000 20001001000000 22011101101110 32011001101000 33011011010000 35011001101000 39011000100000 3A011001100000 二进制代码表 3 微程序 14 根据微指令格式及二进制代码表 将二进制代码表转换成 16 进制可 得下面微程序 M M0101ED82 M0200C050 M0300A004 M0400E0A0 M1001ED83 M M M M1B01A232 M1C01A233 M1F M M2205DB81 M32019A01 M3301B435 M35B99A01 MA M3A 4 接线并调试 15 1 根据下面实验线路图在实验箱上接线 2 调试 调试步骤 写入微程序 与 PC 联机 将实验微程序装入实验装置中 写程序 联机读 写程序 选择联机软件的 转储 装载 功能菜单将该实验对应的文件 txt 载入实验系统即可 运行程序 使用联机运行 联机运行程序时 进入软件界面 装载机器指令及微指令后 选择 运行 通路图 复杂模型机 功能菜单打开相应动态数 16 据通路图 按相应功能键即可联机运行 监控 调试程序 四 执行过程四 执行过程 1 指令执行过程的记录 本课程设计设置输入值为 15H 1 第一条机器指令是 P0044 一共有 3 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 SW BUS BUS R0 第三拍是把输入的数放到寄存器 R0 里面 此 时 R0 15H 2 第二条机器指令是 P0181 一共有 3 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 R0 R1 第三拍是把寄存器 R0 里面的数传送到寄存器 R1 里面 此 时 R1 15H 3 第三条机器指令是 P02B5 一共有 4 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 17 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 R1 BUS BUS DR1 第三拍是把寄存器 R1 里面的数传送到数据寄 存器 DR1 里面 此时 DR1 15H DR1 1 BUS BUS RD 第四拍是把数据寄存器 DR1 送到运算器 ALU 当中 执行自加 1 操作之后 把所得数据送到寄存器 R1 里面 此时 R1 16H 4 第四条机器指令是 P03C1 一共有 5 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 RS BUS BUS DR1 第三拍是把寄存器 R0 里面的数传送到数据寄 存器 DR1 里面 此时 DR1 15H RD BUS BUS DR2 第四拍是把寄存器 R1 里面的数传送到数据寄 存器 DR2 里面 此时 DR1 16H DR1 DR2 BUS BUS RD 第五拍是把数据寄存器 DR1 DR2 里面的 数据传送到 ALU 当中 进行逻辑 与 运算之后 把所得数据送到 寄存器 R1 里面 此时 R1 14H 5 第五条机器指令是 P04F6 一共有 5 拍 18 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 R1 299 第三拍是把寄存器 R1 里面的数传送到 299 移位寄存器当 中 也就是 14H 带进位循环左移 第四拍是将数 14H 进行带进位左循环移动一位 所得数为 28H 299 R0 第五拍是将移位寄存器里的数 28H 传送到寄存器 R2 当中 此时 R2 28H 6 第六条机器指令为 P055A 一共有 3 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 R2 LED 第三拍是把寄存器 R2 里面的数输出 此时数码显示管显 示 28 7 第七 八条机器指令是 P0608 P0700 一共有 6 拍 PC AR PC 1 第一拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 ARM BUS BUS IR 第二拍是把 RAM 里面的内容放到指令寄存器 IR 里面 19 PC AR PC 1 第三拍是将 PC 中的地址放到 AR 中 PC 指向下一 条指令 RAM BUS BUS DR1 第四拍是把 RAM 里面的内容放到数据寄存器 DR1 里面 RAM BUS BUS AR 第五拍是把 RAM 里面的内容放到地址寄存器 AR 里面 之后进行 P 2 测试 进入 JMP DR1 BUS BUS PC 第六拍是把数据寄存器 DR1 里的内容送回程 序计数器 PC 当中 之后跳转到第一条机器指令重复执行 2 指令执行过程的部分截图 20 21 22 五 课程设计结论五 课程设计结论 在做课程设计的过程中 我们遇到了许多的难题 一开始写指 令和程序的时候 因为不懂得里面那些信号的意思 所以无从下手 后来查阅了一些资料和问了一些人之后终于知道了那些信号的意思 和如何写出机器指令和微程序 写出来微程序后 就进行接线 一 开始接好线后 在联机测试过程中通过了 那时感觉很开心 因为 很少可以一次接线就通过的 但是后来运行了几次之后 实验箱的 接线又出现问题了 检测了好久找不出原因 只能重新接线 这次 接好线后连测试都不通过 虽然按着实验箱上显示的那几条线路去 检查 但是还是找不出原因 只能再重新接线 最后接线终于通过 了测试 然后就开始联机写入程序 加载后运行 但是出来的结果却总 23 是不对 根据我们输入