计算机组成原理课程设计报告及代码之复杂模型机设计

1、课程设计报告课程名称：计算机组成原理题目名称：复杂模型机设计专业名称：计算机科学与技术班级：2013240203学生姓名：李俊同组同学：丰翔王兆宇学号：指导教师：兰勇完成时间：2016 年 1 月 8 日目录一 、课程设计概述2课程设计的教学目的 2课程设计任务和基本要求 21.3设计原理 22、 规定项目的实验验证32.1 设计原理 32.2 操作步骤 93、 指定应用项目的设计与实现14 错误 !未定义书签。 错误 !未定义书签。收获和体会1515、课程设计概述课程设计的教学目的本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息

2、流和控制信息流的方法，进一步加深对计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。课程设计任务和基本要求本课程设计以TDHCMAHT机组成原理教学实验系统为平台完成。1. 按给定的数据格式和指令系统，理解微程序控制器的设计原理。2. 设计给定机器指令系统以及微程序流程图，按微指令格式写出微程序的微指令代码。3. 连接逻辑电路，完成启动、测试、编程、校验和运行，并观测运行过程和结果。4. 将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算机。5. 用微程序控制器控制模型机的数据通路。6. 通过在模型

3、机上运行有机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立计算机的整机概念，掌握计算机的控制机制。7. 按指定应用项目进行汇编指令格式及功能设计，并设计相应的机器指令代码，按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序。在PC上编辑机器指令和微程序，装载代码到TDHCMAS验系统并运行，实现应用要求。1.3 设计原理在部件实验中，我们是人为用二进制开关来模拟一些控制信号完成数据通路的控制。而在本课程设计中，数据通路的控制由微程序控制器来完成。计算机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的列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。规定项目的实验验证2.1设计原理机

4、器指令格式：$P XX XX机器指令标志、十六进制地址、机器指令代码 微指令格式：$M XX XXXXXX 微指令标志、十六进制地址、微指令代码微指令代码格式232221201918-1514121198-65-0M23CNWRRDIOMS3-S0ABCM5-M00进位读写ALU下一个地址CN代表进位WR、RD代表向MEM 单元写和读IOM 代表向IN或OUT单元读写S3-S0代表不同的运算A指定目的地址B指定原地址C代表P测试或指定目的地址为PC指针M5-M0代表下一个微指令的地址（一共 6位，所以最大值为3F）WR、RD、IOM的功能WRRDIOM功能000不涉及MEM IN和OU惮元01

5、0从ME弹元读数据011从IN单元读数据100向ME弹元写数据101向OU惮元写数据S3S0以及CN的功能运算类型S3; S2; S1; S0CN功能逻辑运算0000XF=A0001XF=B0010XF=AB0011XF=A+B0100XF=B移位运算循环移位0101XF=A>>B01100F=A>>11F=A>>101110F=A<<11F=A<<1算数运算1000XFC=CN1001XF=A+B1010XF=A+B+FC1011XF=A-B1100XF=A-11101XF=A+11110X1111XABC字段以及功能字段内容功能A

6、字段000NOP目的操作数001存入A010存入B011存入寄存器R (R0R3101配合C字段的101,代表存入PC指针110存入地址寄存器AR111存入指令寄存器IRB字段源操作数000NOP001ALU写入总线010RS写入总线011RD写入总线100RI写入总线110配合C字段的101,代表PC写入总线C字段P测试000NOP001P (1)010P011P (3)101指令涉及PC寻址模式寻址模式M启效地址E说明00E=D直接寻址01E=(D)间接寻址10E=(R2)+DR2变址寻址11E=(PC)+D相对寻址RS、RD的表示RS/RDRI00R001R110R211R3一般D表示立

7、即数；P表示地址复杂模型机数据流图微指令格式如表3所示，当微指令格式确定之后，下一步就是确定后续微指令地当微指令格式确定之后，下一步就是确定后续微指令址通常的方法是先确定微程序分支处 的微地址，因为微程序分支处需要进行判断测试，这些微地址确定以后，就可以在一个“微地 址表”中将分支微地址填入相应的分支微地址单元， 避免以后的设计中因重复使用而造成错误， 对于其他位置按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图2所示，当拟定“取值”微指令时，该微指令的判别测试字段为 P（1）测试，由于取值指令是所有微程序都是用的公用微序， 因此P测试结果出现多路分支，本机使用指令寄存器的前四位（IR7-IR4）

8、作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定的微地址单元。控制台操作作为 P（4）测试，它以控制台开关SWB SWA乍为测试条件，出现了 3路分支，占用3个固定的微地址单元，当分支地址单元固定后， 其余每条微指令各占用控存一个微地址单元，随意填写即可。注意：微程序流程图上的单元地址为八进制。指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到缓存，然后在传送到指令寄存器中。微程序流程图（用visio画的，电子版的可以放大查看，纸质版的另附一张图）当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表 4即为将图2微程流程图按微指令格式转化得到的“二进制微代码表”。下图为

9、表 4:地址16进制表示Hj 五位S3 - S0ABC下一微地址功能00000001000000000000000000000001NOP01006D43000000000110110101000011PC->AR, PC 力口 10203107070000100000111000001110000MEM->IR, P<1>04002405000000000010001000000101RS->B0504B201000001001011001000000001A力口 B->RD06002407000000000010001000000111RS->B0

10、7013201000000010011001000000001A与 B->RD08106009000100000110000000001000MEM->AR09183001000110000011000000000001IO->RD0A106010000100000110000000010000MEM->AR0B005341000000000101001101000001NOP0C103001000100000011000000000001MEM->RD0D200601001000000000011000000001RD->MEM0E005341000000

11、000101001101000001A->PC0F0000CB000000000000000011001011NOP, P<3>10280401001010000000010000000001RS->IO11103001000100000011000000000001MEM->RD12063201000001100011001000000001A-1->RD13002414000000000010010000010100RS->B1405B201000001011011001000000001A减 B->RD1500241600000000001

12、0010000010110RS->B1601B201000000011011001000000001A或 B->RD171803B201000000111011001000000001A<<1->RD191A1B000001000000000000000000000001A->PC1C10101D000100000001000000011101MEM->A1D10608C000100000110000010001100MEM->AR, P<2>1E10601F000100000110000000011111MEM->AR1F10

13、1020000100000001000000100000MEM->A2010608C000100000110000010001100MEM->AR, P<2>21006D62000000000110110001100010PC->AR,PC+22102023000100000010000000100011MEM->B23058201000001011000001000000001A-B2425262728101029000100000001000000101001MEM->A2900282A000000000010100000101010RI->

14、B2A04E22B000001001110001000101011A 力口 B->AR2B04928C000001001001001010001100A 加 B->A, P<2>2C10102D000100000001000000101101MEM->A2D002C2E000000000010110000101110PC->B2E04E22F000001001110001000101111A 力口 B->AR2F04928C000001011001001010001100A 加 B->A, P<2>300016040000000000

15、01011000000100RD->A31001606000000000001011000000110RD->A32006D48000000000110110101001000PC->AR, PC 力口 133006D4A000000000110110101001010PC->AR, PC 力口 134001621000000000001011000100001RD->A35000035000000000000000000110101NOP36006D51000000000110110101010001PC->AR, PC 力口 13700161200000

16、0000001011000010010RD->A38001613000000000001011000010011RD->A39001615000000000001011000010101RD->A3A001618000000000001011000011000RD->A3B000001000000000000000000000001NOP3C006D5C000000000110110101011100PC->AR, PC 力口 1 ,3D006D5E000000000110110101011110PC->AR, PC 力口 1 .3E006D68000000

17、000110110101101000PC->AR, PC 加 1 3F006D6C000000000110110101101100PC->AR, PC 力口 1 ,表4二进制微代码表本设计的机器指令程序及相应的汇编程序如下:微指令汇编指令格式指令功能ADD RD,RS0000RSRDRD+RS->RDAND RD,RS0001RSRDRD&RS->RDIN RD,P0010*RDPP->RDOUT P,RS0011RS*PRD->PTEST RD,D0100RDDRD-DHALT0101停机LDI RD,D0110*RDDD->RDDEC RD

18、0111*RDRD-1 RDSUB RD,RS1000RSRDRD-RS->RDOR RD,RS1001RSRDRS|RD->RDROL RD1010RDRD<<1->RD保留LAD M D,RD1100MRDDE->RDSTA M D,RS1101MRSRD->EJMP M D1110MDE->PCJNZ M D1111MD当ZF=0或CF=0跳转2.2操作步骤实验连线图1 .连线：按实验连线图进行连线。2 .测试：在联机软件CM9打开综合性实验的数据通路图，并进行测试3 .编写程序：采用联机读/写程序按下面规定格式，用联机软件在CMPW建立将

19、机器指令及微指令的二进制代码编辑成 十六进制的*TXT文档，并用联机软件的转储功能将该格式文件装载到实验系统中。测试程序及微指令代码：；/*/复杂模型机实验指令文件/By李俊丰翔王兆宇/*/*/;/*;/* Start Of Main Memory Data */$P 00 21 ; START: IN R1,00H$P 01 00$P 02 60 ; LDI R0,0FH$P 03 0F从IN单元读入计数初值立即数0FH送R1$P 04 11 ; AND R1,R0得到R1低四位$P 05 34 ; OUT R1输出IN单元的值输出被加数R3的值R1+R3->R1输出加法执行后的结果从

20、MEM?入数据送R3,间接寻址输出被减数R3的值R1-R3->R1输出减法执行后的结果R1<<1->R1输出左移一位执行后的结果$P 06 40 ;$P 07 62 ; START: LDI R2,60H读入数据始地址$P 08 60$P 09 CB ; LAD R3,RI,04H从 MEMS入数据送 R3,变址寻址,偏移量为04H$P 0A 04$P 0B 3C ; OUT R3$P 0C 40 ;$P 0D 0D ; ADD R1,R3$P 0E 34 ; OUT R1$P 0F 40 ;$P 10 C7 ; LAD R3,67H$P 11 67$P12 3C ;O

21、UT R3$P 13 40 ;$P 14 8D ; SUB R1,R3$P 15 34 ; OUT R1$P 16 40 ;$P 17 A1 ; ROL R1$P 18 34 ; OUT R1$P 19 40 ;$P 1A 34 ; LOOP: OUT R1循环输出（倒计时功能）$P 1B 40 ;$P 1C 71 ; DEC R1相减为0,表示求和完毕直接寻址停机$P 1D 41 ; TEST R1,00$P 1E 00$P 1F F0 ; JNZ LOOP$P 20 1A$P 21 E0 ; JMP START$P 22 00$P 23 50 ; HLT$P 60 00 ; 数据$P 61

22、 01$P 62 02$P 63 03$P 64 04$P 65 06$P 66 07$P 67 62 ; 间接寻址用到;/* End Of Main Memory Data *;/* Start Of Microcontroller Data */$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR, PC 力口 1$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>$M 04 002405 ; RS->B$M 05 04B201 ; A 力口 B->RD$M 06 002407 ; RS->B$M 07 013201

23、; A 与 B->RD$M 08 106009 ; MEM->AR$M 09 183001 ; IO->RD$M 0A 106010 ; MEM->AR$M 1B 000001 ; A->PC$M 0C 103001 ; MEM->RD$M 0D 200601 ; RD->MEM$M 0E 005341 ; A->PC$M 0F 0000CB ; NOP, P<3>$M 10 280401 ; RS->IO$M 11 103001 ; MEM->RD$M 12 063201 ; A-1->RD 0000 0110 0

24、011 0010 0000 0001$M 13 002414 ; RS->B$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<<1->RD 0000 0011 1011 0010 0000 0001$M 0B 005341 ; NOP$M 1C 10101D ; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2>$M 1E 10601F ; ME

25、M->AR$M 1F 101020 ; MEM->A$M 20 10608c ; MEM->AR, P<2>$M21006D62PC->AR,PC+$M 22 102023 ; MEM->B 0001 0000 0010 0000 0010 0011$M 23 058201 ; A-B 0000 0101 1000 0010 0000 0001$M 28 101029; MEM->A$M 29 00282A; RI->B$M 2A 04E22B; A 力口 B->AR$M 2B 04928C; A 力口 B->A,P<2&

26、gt;$M 2C 10102D ; MEM->A$M 2D 002C2E ; PC->B$M 2E 04E22F; A 力口 B->AR$M 2F 04928C; A 力口 B->A,P<2>$M 30 001604; RD->A$M 31 001606; RD->A$M 32 006D48; PC->AR, PC力口1$M 33 006D4A; PC->AR, PC加1$M 34 001621; RD->A$M 35 000035; NOP$M 36 006D51 ; PC->AR, PC 力口 1$M 37 001612 ; RD->A$M 38 001613 ; RD->A$M 39 001615 ; RD->A$M 3A 001618 ; RD->A$M 3B 000001 ; NOP$M3C 006