2010-计算机组织与体系结构课程设计

东 莞 理 工 学 院 本 科 课 程 设 计 课程设计课程设计题目 题目 具有访存及循环移位运算功能的 复杂模型机的设计 学生姓名 学生姓名 许悦 学学 号 号 3 系系 别 别 计算机学院 专业班级 专业班级 计算机科学与技术 1 班 指导教师姓名 指导教师姓名 张丽娟 第 2 页 共 16 页 一 一 课程设计要求及目的 要求 要求 1 综合运用所学计算机原理知识 设计并实现较为完整的计算机 2 掌握计算机整机概念 深入理解基本模型计算机的功能 组成方法 深入学习计算机各类典型指令的执行流程 3 在理解组织计算机体系结构基础上 能根据给定的程序功能 学会 编写机器指令代码 掌握微程序的设计方法 理解微程序流程图及 确定微地址 将微代码写入控制存储器 4 通过熟悉较完整的计算机的设计 全面了解并掌握微程序控制方式 计算机的设计方法 目的 目的 具有访存及循环移位运算功能的复杂模型机的设计 机器指令程序如下 IN 01 R0 R0 02H LDA 00 20 R1 将 20H 存储单元的数据 03H 送 R1 ADC R0 R1 R1 05H RRC R1 R2 R1 05H R2 02H CY 1 OUT 10 R1 05H OUT 10 R2 02H HLT 二 二 机器指令设计文档 编写机器指令助记符 P0044IN 01 R0 P0101LDA 00 20 R1 P0220 P0391ADC R0 R1 P04E6RRC R1 R2 P0559OUT 10 R1 P065AOUT 10 R2 P0760HLT P2003 第 3 页 共 16 页 三 三 指令系统格式及微程序格式指令系统格式及微程序格式 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 指令格式 助记符号和功能 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 其格式如右 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 第 4 页 共 16 页 2 访问指令及转移指令 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 中的数码块作为输出设备 4 停机指令 指令格式如下 HALT 指令 用于实现停机操作 第 5 页 共 16 页 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 微指令的前六位 S3S2S1S0MCnWE 根据表 2 5 2 74LS181 逻辑功能表写出 第 6 页 共 16 页 微指令格式微指令格式 微指令字长共 24 位 其控制位顺序如表 4 4 1 所示 四 四 设计微程序流程图及确定微地址 第 7 页 共 16 页 微程序流程图微程序流程图 第 8 页 共 16 页 微代码设计文档微代码设计文档 1 1 编写控制台启动程序微指令 程序流程图编写控制台启动程序微指令 程序流程图 这条微指令的地址为 00 八进制 即 00H 下一条微指令的地址为 10 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 001 000 由数据通路可知完成此操作为空 没有用到运算器所以高六位 24 19 为 也没有用 到 W R 控制信号故 WE A9 A8 18 16 为 0 1 1 A 字段 B 字段的控制信号也没用到故 A B 15 10 为 000 000 用到 P 4 控制信号故 C 字段 9 7 为 100 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1000000 故本条微指令为 M 2 2 编写编写 ININ 0202 R0R0 微指令微指令 a a ININ 的第一条微指令为的第一条微指令为 这条微指令的地址为 01 八进制 即为 01H 下一条微指令的地址为 02 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 010 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 存储器 RAM 处于打开状态 即 W R 为 0 CE 0 故第 18 位 WE W R 0 Y0 SW B 0 Y1 CE 0 Y2 LED B 0 即第 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 AR 的控制信号 LDAR 1 故 A 字段为 110 PC B 1 故 B 字段为 110 PC 的控 制信号 LDPC 1 故 C 字段为 110 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1110110 故本条微指令为 M0101ED82 第 9 页 共 16 页 b b ININ 的第二条微指令为的第二条微指令为 这条微指令的地址是 02 八进制 即 02H 下一条微指令的地址是 20 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 010 000 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于读状态 即 W R 为 0 CE 1 故 18 位 WE W R 0 Y1 CE 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 0 1 IR 的控制信号 LDIR 1 故 A 字段为 100 B 字段控制信号全为零 故 B 字段 为 000 P 1 控制信号为 1 故 C 字段为 001 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 0 0 1 1100100 故本条微指令为 M0200C050 c c ININ 的第三条微指令为的第三条微指令为 这条微指令的地址是 24 八进制 即 14H 下一条微指令的地址是 01 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 001 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于不工作状态 故 W R 为 0 故 18 位 WE W R 0 Y0 SW B 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 0 0 R0 的控制信号 LDDR1 1 故 A 字段为 010 其余控制信号全为零 故 B 字段 为 000 C 字段为 000 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 0 0 0 0001001 故本条微指令为 M 第 10 页 共 16 页 3 3 编写编写 LDALDA 0000 2020 R1R1 微指令微指令 a a LDALDA 的第一条微指令为的第一条微指令为 这条微指令的地址是 20 八进制 即 10H 下一条微指令的地址是 03 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 011 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于打开状态 即 W R 为 0 CE 0 故第 18 位 WE W R 0 Y0 SW B 0 Y1 CE 0 Y2 LED B 0 即第 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 AR 的控制信号 LDAR 1 故 A 字段为 110 PC B 1 故 B 字段为 110 PC 的控 制信号 LDPC 1 故 C 字段为 110 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1110110 故本条微指令为 M1001ED83 b b LDALDA 的第二条微指令为的第二条微指令为 这条微指令的地址是 03 八进制 即 03H 下一条微指令的地址是 04 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 100 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于读状态 故 W R 为 0 CE 1 故 18 位 WE W R 0 Y1 CE 1 故 17 16 的 A9 A8 为 0 1 DR1 的控制信号 LDDR1 1 故 A 字段为 010 其余控制信号为零 故 B 字段为 000 C 字段为 000 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 0 0 1 1010010 故本条微指令为 M0300A004 第 11 页 共 16 页 c c LDALDA 的第三条微指令为的第三条微指令为 这条微指令的地址是 04 八进制 即 04H 下一条微指令的地址是 40 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 100 000 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于读状态 即 W R 为 0 CE 1 故 18 位 WE W R 0 Y1 CE 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 0 1 AR 的控制信号 LDAR 1 选择信号 P 2 1 其余控制信号全为零 故 A 字段为 110 B 字段为 000 C 字段为 010 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 0 0 1 1110110 故本条微指令为 M0400E0A0 d d LDALDA 的第四条微指令为的第四条微指令为 这条微指令的地址是 40 八进制 即 20H 下一条微指令的地址是 01 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 001 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 存储器 RAM 处于读状态 故 W R 为 0 CE 1 故 18 位 WE W R 0 Y1 CE 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 Rd 的控制信号 LDRi 1 其余控制信号为 0 故 A 字段为 001 B 字段为 000 C 字段为 000 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 0 0 1 1001001 故本条微指令为 M 第 12 页 共 16 页 4 4 编写编写 ADCADC R0R0 R1R1 微指令微指令 a a ADCADC 的第一条微指令为的第一条微指令为 这条微指令的地址是 31 八进制 即 19H 下一条微指令的地址是 52 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 101 010 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 没有用到存储器 RAM 故 W R 为 0 CE 0 故 18 位 WE W R 0 Y3 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 DR1 的控制信号 LDDR1 1 Rs 的控制信号 RS B 1 其余控制信号为 0 故 A 字 段为 010 B 字段为 001 C 字段为 000 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1010010 故本条微指令为 M1901A22A b b ADCADC 的第二条微指令为的第二条微指令为 这条微指令的地址是 52 八进制 即 2AH 下一条微指令的地址是 53 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 101 011 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位 24 19 为 000 000 没有用到存储器 RAM 故 W R 为 0 CE 0 故 18 位 WE W R 0 Y3 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 DR2 的控制信号 LDDR2 1 Rd 的控制信号 RD B 1 其余控制信号为 0 故 A 字 段为 011 B 字段为 010 C 字段为 000 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1011011 故本条微指令为 M2A01B42B 第 13 页 共 16 页 c c ADCADC 的第三条微指令为的第三条微指令为 这条微指令的地址是 53 八进制 即 2BH 下一条微指令的地址是 01 八进制 所以微指令的低六位 6 1 为 000 001 由数据通路可知完成此操作加法运算器的控制信号 S3 1 S0 1 Cn 1 其余为 0 所以高六位 24 19 为 100 101 没有用到存储器 RAM 故 W R 为 0 CE 0 故 18 位 WE W R 0 Y3 1 故 17 16 位的 A9 A8 为 1 1 Rd 的控制信号 LDRi 1 ALU 的控制信号 ALU B 1 AR 的控制信号 ALU B 1 故 A 字段为 001 B 字段为 101 C 字段为 101 综上所述 24 位微指令二进制代码为 0 0 1 1 1 1001001 故本条微指令为 M2B959B41 微程序微程序 M M0101ED82 M0200C050 M0300A004 M0400E0A0 M0801ED8A M0901ED8C M0A00A03B M0B M0C00203C M1001ED83 M M M M1901A22A M1E M M2A01B42B M2B959B41 M 第 14 页 共 16 页 五 五 画接线图 第 15 页 共 16 页 六 六 调试步骤和结论 1 1 课程设计调试步骤 a a 按上图连接好电路 b b 联机读写程序 选择联机软件 转储 装载 功能菜单调入以前的实验程序 检查接线是否正确 c c 正确无误后装载本小组的程序 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 功能菜单打开数据通 路图 按相应步骤联机运行 监控 调试程序 拨动总清开关 CLR 清零后 使程 序的首地址以及微程序地址为 00H 程序可从头开始运行 d d 仔细观察数据通路写出机器指令和微指令的执行过程 e e 分析机器指令程序 仔细观察数码管并写出输出结果 2 2 仔细观察数据通路写出机器指令和微指令的执行过程 3 3 数码管的显示输出结果 R1 输出的是 12 R2 输出的是 09 CY 0 机器指令助记符机器指令助记符微操作微操作微指令的执行过程微指令的执行过程 IN 10 R1 1 PC AR RAM PC 1 PC 2 RAM AR IR 3 INPUT R1 读取第 1 条指令 分析指令内容进行操作 输入 10 存入到 R1 LDA 00 20 R1 1 PC AR RAM PC 1 PC 2 RAM AR IR 3 PC AR RAM PC 1 PC 4 RAM DR1 ALU 5 AR RAM RAM R1 读取第 2 条指令 分析指令内容进行操作 读取第 3 条指令 将 20H 输入到 DR1 找到 20H 的地址 取出其中的数 据 11H 再存入到 R1 ADC R0 R1 1 PC A