简单模型机的组成与程序运行-计算机组成原理实验报告

组成原理课程设计 20081121129 吕翠 内蒙古师范大学计算机与信息工程学院 计算机组成原理计算机组成原理 课程设计报告课程设计报告 题目题目 简单模型机的组成与程序运行简单模型机的组成与程序运行 姓姓 名名 学学 号号 班班 级级 指导教师指导教师 孟昭进 日日 期期 2011 7 14 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 1 1 任务描述任务描述 设计题目名称 简单模型机的组成与程序运行 要求 基于 TD CMA 计算机组成原理教学实验系统 设计一个简单的计算机整机系统 模型机 分析其工作原理 根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理 设计完成以下几条机器指令 和相应的微程序 输入程序并运行 INR0 IN R0 SUB 0DH R0 0DH R0 直接寻址 SHL R0 将 R0 寄存器中的内容逻辑左移 STA 0EH R0 R0 0EH 直接寻址 LDA 0FH R0 0FH R0 直接寻址 LOP DECR0 R0 1 R0 BZC EXIT 当 FC 或 FZ 为 1 时 转到 EXIT JMPLOP EXIT OUT0EH R0 0EH LED 直接寻址 0DH 0EH 0FH 单元内容分别为 03H 04H 02H 2 2 设计设备设计设备 PC 机一台 TD CMA 实验系统一套 3 3 设计原理和方法设计原理和方法 3 1设计原理 3 1 1数据格式 本实验计算机采用定点补码表示法表示数据 字长为8位 其格式如下 76 5 4 3 2 1 0 符号尾数 其中第七位为符号位 数值表示范围是 1 X 1 3 1 2 指令格式 所有单字节指令 SUB等 格式如下 7 6 5 43 21 0 OP CODERSRD 其中OP CODE为操作码 RS为源寄存器 RD为目的寄存器 并规定 RS 或 RD选定的寄存器 00 01 10 11 R0 R1 R2 R3 本实验的输入IN指令和OUT指令采用单字节指令 其格式如下 7 6 5 4 1 3 2 1 1 0 1 OP CODERSRD 本实验中的两个访问指令 即存数STA 一条转移指令 即无条件转移指令JMP 指令格式如下 7 6 5 4 1 3 2 1 1 0 1 7 0 2 OP CODEMRDD 其中OP CODE为操作码 RD为目的寄存器地址 STA LDA指令使用 D为位移量 正负均可 M为寻址模式 其定义如下 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 寻址模式M有效地址E说明 00 01 10 11 E D E D E RI D E PC D 直接寻址 间接寻址 RI变址寻址 相对寻址 3 1 3指令系统 本实验共有10条基本指令 其中算术指令有2条 DEC SUB 访问内存指令和程序控制指令7 条 输入指令1条 3 按微指令格式 参照微程序流程图将每条微指令代码化 译成二进制微代码 系统涉及到的微程序流程见图3 1 4 所示 当拟定 取指 微指令时 该微指令的判别测试 字段为P测试 由于 取指 微指令是所有微程序都使用的公用微指令 因此P的测试结果出现 多路分支 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 微程序流程图3 1 4 微指令字长共24位 格式如下 232221201918 1514 1211 98 65 0 M23M22WRRDIOMS3 S0 A字段B字段C字段 MA5 MA0 A字段B字段C字段 14 13 12 选择 11 10 9 选择 8 7 6 选择 000NOP000NOP000NOP 001LDA001ALU B001P 1 010LDB010R0 B010 保留 011LDR0011 保留 011 保留 100 保留 100 保留 100 保留 101LOAD101 保留 101LDPC 110LDAR110PC B110P 4 111LDIR111 保留 111 保留 运算器逻辑功能表 运算类型S3 S2 S1 S0CN功能 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 逻辑运算 0000 0001 0010 0011 0100 x x x x x F A 直通 F B 直通 F AB 直通 F A A B 直通 F A 直通 移位运算 0101 0110 0111 x 0 1 0 1 F A 不带进位循环右移 B 取低 3 位 位 FZ F A 逻辑右移一位 FZ F A 带进位循环右移一位 FC FZ F A 逻辑左移一位 FZ F A 带进位循环左移一位 FC FZ 算术运算 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 x x x x x x x x 置 FC CN FC F A 加 B FC FZ F A 加 B 加 FC FC FZ F A 减 B FC FZ F A 减 1 FC FZ F A 加 1 FC FZ 保留 保留 4 4 代码清单代码清单 4 1 机器指令代码机器指令代码 Start Of MicroController Data 其中地址和微指令均为十六进制 地址 微指令 操作 P 00 20 START IN R0 00H 从 IN 单元读入数据送 R0 P 01 00 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 P 02 84 SUB R0 R1 R0 R1 R0 P 03 A0 LL R0 R0 R0 LEFTMOVE R0 p 04 D0 STA 0EH R0 R0 E P 05 2E P 06 C0 LAD 00 0F R0 P 07 2F P 08 70 DEC R0 P 09 F0 BZC 11 02H P 0A 0D P 0B E0 JMP 00 08H P 0C 08 P 0D C0 OUT OEH R0 P 0E 2E P 0F 30 P 10 40 P 11 50 P 12 50 P 13 50 P 2F 02 End Of Main Memory Data 4 2 化简后的微程序代码化简后的微程序代码 Start Of MicroController Data 其中地址和微指令均为十六进制 地址 微指令 操作 M 00 000001 NOP M 01 006D43 PC AR PC 加 1 M 03 107070 MEM IR P M 04 002405 RS B M 05 04B201 A 加 B RD M 06 002407 RS B M 07 013201 A 与 B RD M 08 106009 MEM AR M 09 183001 IO RD M 0A 106010 MEM AR M 0B 000001 NOP M 0C 103001 MEM RD M 0D 200601 RD MEM M 0E 005341 A PC M 0F 0000CB NOP P M 10 280401 RS IO M 11 103001 MEM RD 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 M 12 063201 A 加 1 RD M 13 002414 RS B M 14 05B201 A 减 B RD M 15 002416 RS B M 16 01B201 A 或 B RD M 17 002418 RS B M 18 03B201 A 右环移 RD M 1B 005341 A PC End Of MicroController Data 5 5 设计运行结果分析设计运行结果分析 出错情况 出错情况 IN的初始值为00 所以将00赋值给R0 寄存器B为随机数 与实验要求不符 逻辑左移没有实现 所得结果不正确 JMP指令的跳转没有实现 微指令没问题 出错原因 出错原因 忘记给地址0DH赋值 微指令流程图有问题 经过改正运行通过 经过检查和同学的讨论及老师的指导 有了改善 但仍需调整 运行结果例子 运行结果例子 实现指令IN R0 00H的截屏如下 初始状态 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 组成原理课程设计 20081121129 吕翠 6 6 设计小结 即收获和体会 设计小结 即收获和体会 通过本次课程设计了解了简单模型机的结构及其原理 通过给定的机器指令 基于计算机组成及 工作原理的基础上 确定了模型机的数据通路结构 根据机器指令和微指令的译码情况 设计了机器 指令格式和微指令格式 虽然最后的结果不是很理想 未能完全将其功能实现 但对简单模型机有了 一定的了解 通过本次课程设计体会到团队合作的重要性 在做实验的过程中细心和耐心也是非常重要的 还让我相信 只要自己在每一次实践中都能仔细思考 课程设计其实都不会很难 关键在于自己能不能 认真思考 能不能亲自动手做实验 而不是想着其他人的劳动果实 其次你还要多操作 只有多操作才能 从中发现问题 才能及时向老师和同学请教 解决问题 从而更好的掌握书本