复杂模型计算机的设计报告(原版).doc

课 程 设 计 报 告课程名称 计算机组成原理 课题名称 复杂模型计算机的设计 专 业 计算机科学与技术 班 级 计算机 学 号 2010030 姓 名 张庆华 指导教师 陈华光、陈多、邓作杰 2012年 9 月 14 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 计算机组成原理 课 题 复杂模型计算机的设计 专业班级 计算机 学生姓名 张庆华 学 号 2010030 指导老师 陈华光、陈多、邓作杰 审 批 陈华光 任务书下达日期 2012 年 9月 3 日任务完成日期 2012年 9月 14日一、设计内容与设计要求1设计内容模型机是由五个部分组成的计算机，通过它可以理解计算机整机的结构及功能，理解CPU、存储器、中断控制器、总线的结构及实现逻辑和各部件之间的接口关系。本次课程设计的主要内容是利用西安唐都公司的TDN-CM+的内部可编程资源，设计一个模型计算机。本课程设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由5部分组成，掌握计算机的工作过程，从“指令微指令微操作”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。2设计要求(1) 借助于TDN-CM+的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功。(2) 复杂模型机的设计要求 (参考P107-115)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。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。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）。设计2 条I/O 指令，输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令。设计停机指令1条用单字节表示。(3) 调试的程序第一组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 F5 RLC R1 R1 R1右移一位$P05 0C BZC 00 00 00-PC$P06 00 第二组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 45 IN 01 R1 INPUT device-R1 $P01 00 LDA 00 00 R0 (20)- R0$P02 20 $P03 86 MOV R1 R2 R1-R2$P04 A8 SBC R2 R0 R2-R0-CY-R0$P05 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P06 0C BZC 00 00 00-PC$P07 00第三组地址（H） 内容（H） 助记符 说明$P00 46 IN 01 R2 INPUT device-R2 $P01 84 MOV R2 R0 R2- R0$P02 44 IN 01 R0 INPUT device-R0 $P03 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P04 E2 COM R2 NOT R2 -R0$P05 D6 STA 00 0A R2 R2 -(0A)$P06 0A$P07 0C BZC 00 00 00-PC$P08 00第四组题目设在内存地址20h处开始存放着数组66、33、88、.、00。请编写机器指令及程序、微指令，完成数组最大值的查找。只输出最后结果，要有停机指令。解题参考：可根据下面伪代码完成相关设计。ld r2,20 ;r2 指向数组首地址begin:ld A,r2 ;注意在微指令中要使r2自动加1cmp A,1F ;1F存放着常量0bzc overcmp A,1E ;1E中存放着最大值bzc nextmov 1E,Anext:jmp beginover:mov A,1E ;思考两条mov指令操作码能否一样?outhlt;array第五组题目内容及要求：要求完成两个4位二进制无符号数的相乘。请编写机器指令及程序、微指令。只输出最后乘积，要有停机指令。解题参考：可根据下面伪代码完成相关设计。 ld r1,7 ;被乘数 ld r2,9 ;乘数 ld r3,0 ;积begin: rrc r2,r2-1 bzc ad jmp noadad: mov A,r3 add r3,A+r1noad: and r2,0Fh ;用来判断4位乘数是否处理完毕 bzc over shtl r3,1-r3 jmp beginover: out hlt在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。第1组第3组的要求修改一条微指令。(4)按本任务书的要求，编写课程设计报告（Word文档格式）。并用A4的复印纸打印并装订。 (5)在规定的时间内，请各班学习委员收齐课程设计报告在星期五交陈华光老师。3分组及安排分5组，学号除以5取余数，余数为0的同学做复杂模型机5、余数为1的同学做复杂模型机1，余数为2的同学做复杂模型机2，余数为3的同学做复杂模型机3，余数为4的做做复杂模型机4，每个组必须独立完成指定的题目，每个同学按要求独立完成课程设计报告。4成绩评定程序设计方案是否合理；程序设计是否正确；调试结果；设计说明书的质量高低；答辩时回答问题情况；课程设计周表现情况；总评成绩记入“课程设计成绩评分表”。二、进度安排第 1周-2周，具体安排如下：星期时间班级内容地点第1周一8：0011：50计算机1001任务安排E-510三14：3018：20计算机1001接线E-510四14：3018：20计算机1001调试E-510五14：3018：20计算机1001系统调试实现E-510接线E-510调试E-510系统调试实现E-510 目录一、 课题的主要功能1二、 总体设计方案21 复杂模型机的逻辑框图22 用框图语言表示模型机的指令执行流程3三、 数据格式和寻址方式的设计41 数据格式42 模型机的寻址方式43 指令格式5四、 指令和和微程序的设计71 指令系统72 修改微指令7五、 线路连接图9六、 微程序流程及说明101 微程序运行截图102 源程序清单14七、 课程设计的收获及体会.17八、 参考资料181、 课题的主要功能此次课题的功能为先将数的两个数进行加法运算，然后将第一个数进行逻辑右移得到一个新的数目，再用加法运算得到的和减去该数，最后将结果输出。目的是完整设计一台模型计算机，进一步建立整机的概念。借助于TDN-CM+的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功因此我们先通过一个复杂模型机的设计实验来进行实际的计算机设计和实现，然后安排了用CPLD 来实现一个CPU 中的大部分功能的设计实验，接着讨论了输入输出系统的概念、分类、接口、寻址、基本控制方式等，根据后续微地址的形成方法，确定每条微程序地址及分支转移地址。根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码，写入到控制存储器中的相应单元中。在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。在验证正确后再自己修改几条微程序，再调试验证是否达到自己的目的。2、 总体设计方案1 复杂模型机的逻辑框图 以控制器为中心，首控制器从指令寄存器取得指令，编译指令，再输出微控制信号，控制ALU的运算，PC加一，并且从RAM中取出数据运算，运算后再把结果通过数据总线存到RAM，在指令寄存器读去下一条指令，依次循环。 图1.1 复杂模型计算机逻辑框图2 用框图语言表示模型机的指令执行流程图2.1 模型计算机逻辑框图3、 数据格式和寻址方式的设计1 数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为位，其格式如下： 符号尾 数其中第 7 位为符号位，相对于十进制数值表示范围是：2 7X2 71。 2 模型机的寻址方式操作数的寻址就是寻找形成操作数在主存中的地址的方法。设指令格式如下：操作码（OP） 寻址特征 形式地址形式地址（D）：指令地址字段中给出的地址。 有效地址（EA）：形式地址经过一定计算而得到的操作数的实际地址。 常用寻址方式如下： (1)隐含寻址：指令中不指出操作数的地址，而是隐含在累加器或堆栈等，由它们给出操作数。 (2)立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。即数据 data = D。 (3) 直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出，即操作数的有效地址为 EA = D。 (4)间接寻址：指令的形成地址 D 在主存相应单元中的内容是操作数的地址，即操作数的有效地址为 EA =（D）。 (5)寄存器寻址：指令中给出的是寄存器号 R，操作数就是寄存器中的内容，即 data=（R）。 (6) 寄存器间接寻址：指令中给出的是寄存器号 R，而操作数的地址就是寄存器中的内容，即 EA =（R）。 (7)相对寻址：操作数地址为程序计数器 PC 中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以补码形式给出，可正可负。即 EA=（PC）+D。 (8) 基址寻址：操作数地址为基址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 +D(9)变址寻址：操作数地址为变址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和。 3 指令格式由于本模型机机器字长只有8位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指令。根据要求,设计该模型机能执行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1) 算术逻辑运算指令 9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表 7.2-1。 表 7.2-1算术逻辑运算指令用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： 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000110R0R1R2 (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： 7 65 43 21 000MOP-CODERD D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： 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) 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。4、 指令和和微程序的设计1 指令系统 本模型机共有16 条基本指令，其中算术逻辑指令条，访问内存指令和程序控制指令条，输入输出指令条，其它指令1 条。表X列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。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， 表X 即为将图X微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。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，见下表X。2423222120191817161514 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A5要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。2 修改微指令 确定要修改的机器指令，从指令系统能够中找到该指令的指令格式，修改rs或者rd来修改机器指令。从微程序流程图中找到条需要修改的机器指令，明白该条机器指令由几条微指令组成，取需修改的微指令的序号，把序号先换成八进制，再换成十六进制；从源程序清单中找到换成的十六进制序号，取序号后面的六位数。把六位数中的前两位数换成十六进制，在74LS181 的逻辑功能表中看第一位数的十六进制（即S3 S2 S1 S0）与微指令操作是否相符，以确认方法无误。然后把需修改的微指令中的S3 S2 S1 S0修改为想要的微指令的S3 S2 S1 S0。把第2位数的十六进制的前2个（即M Cn）进行修改。算术运算M=0，逻辑运算则M=1.有进位Cn=0，无进位Cn=1.把修改后的结果写入源程序中即可。5、 线路连接图图5.1 复杂模型计算机逻辑框图6、 微程序流程及说明1 微程序运行截图 指令区截图 图 6.1 通过取址把第一个操作数存入到R0 图 6.2 通过MOV指令把R0中的数送到R1，此时R1变成06 图 6.3 通过取址把第二个操作数存入到R2 图 6.4 把R2，R1的值送到运算器中并运算，并把运算结果存入R1 图 6.5 把R0中的数送到299芯片中进行右移，把右移后的结果送到R0中。 图6.6 把经过上述步骤后R0，R1的值送到运算器中并运算，并把运算结果存入R0 图6.7 将R0中的最终运算结果输出 图6.82 源程序清单 $P0044 $P0181 $P0246 $P0399 $P04E0 $P05A4 $P0658 $P070C $P0800 $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 $M2D65AB6E $M2E0D9A01 $M2F01AA30 $M300D8171 $M31959B41 $M32019A01 $M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41 $M360D9A01 $M37298838 $M38019801 $M3919883A $M3A019801 $M3B070A08 $M3C068A097、 课程设计的收获及体会 这次课程设计对于我个人有很大的收获，对于复杂模型计算机的设计有了一定的了解，意识到专业知识的重要性，要想学好一定要下狠功夫，没有付出，怎有回报，同时也体会到理论的知识的理解必须依靠实践是的有力结合，才能对