计算机组成原理课程设计

1、附件一湖南工业大学课程设计资料袋计算机与通信 学院（系、部）2015 2016学年第_2学期课程名称计算机组成原理指导教师 杨伟丰 职称教授学生姓名顾宏亮专业班级软件1403学号 目复杂模型机的设计成 绩起止日期 2016 年6 月_20日2016 年_6月2 日目 录清单序号材料名称资料数量备注1课程设计任务书12课程设计说明书13张456课程设计任务书2015 2016 学年第2 学期计通学院（系、部）软件专业1403班级课程名称：计算机组成原理设计题目：复杂模型机的设计完成期限：自 2016 年6 月20日至 2016年6月21日共1 周内 容 及 任 务1.

2、根据复杂模型机的指令系统，编写实验程序2. 按图连接实验线路，仔细检查线路无误后接通电源。3写程序4.运行程序进度安排起止日期工作内容2016620-2016621连接线路进行实验主 要 参 考 资 料唐朔飞计算机组成原理北京：高等教育出版社指导教师（签字）： 年 月日系（教研室）主任（签字）： 年 月日附件三HUNAN UNIVERSirY OFTECHNOLOGY设计说明书计算机组成原理复杂模型机的设计起止日期:2016年 6月20日至 2016 年 6月21日顾宏亮软件140314408300328指导教师（签字）计算机与通信学院（部）2016年 7月 1日设计题目：复杂模型机的设计、设

3、计目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。二、设计内容根据复杂模型机的指令系统，编写实验程序，并运行程序，观察和记录运行结果。三、预备知识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：数据位数D6 D5 D4 D3 D2 D1 Do用途符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：K X V 1。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、访问存储器、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:数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2Di D

4、0用途操作码（OP-CODE源寄存器（RS目的寄存器（RD :规定:选中的寄存器（RS或 RD）R0R1R2寄存器的编码000110算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表2 3。（2）访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令，即存数（STA）、取数（LD）, 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:数据位数D D6D& D4D3 D2D D0DD0用途00寻址模式M操作码OP-CODE:目的寄存器编码 RD位移量D其中，OP COD助操作码，rd为目的寄存器地址（LD 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

5、地址E说明0 0D直接寻址0 1(D):间接寻址110(Rl)+DRI变址寻址11(PC)+DP相对寻址: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:数据位数Dz D6 D5 D4D3 D2D D 0用途操作码（OP-CODE地址（addr）目的寄存器（RD其中，在IN指令中，addr=01，选中“ INPUT中的开关组作为输入设备，在OUT指令中，addr=10时，表示选中“ OUTPUT UNIT中的数码块作为输出设备。（4 ）停机指令指令格式如下：数据位数D D 6 D5 D4D D2Di D值01100000

6、HALT指令，机器码为 60H，用于实现停机操作。3、指令系统复杂模型机共有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2-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表2-3复杂模型机指令系统助记符指令格式指令长 度（字 节数）指令功能第一字节第二字节CLR rd01 11 00 rd无10t RDMOV rs,rd10 00 rs rd无1RA RDADC rs,rd10 01 rs rd无1RS + RD + cy f RDSBC rs,rd10 10 rs rd无1RS - RD - cy f RDINC rd10 11 xx

7、 rd无1RD+ 1 fRDAND rs,rd11 00 rs rd无1RS A RD f RDCOM rd11 01 xx rd无1RD f RDRRC rs,rd11 10 rs rd无1RS带进位循环右移一位，然后 RS RDRLC rs,rd11 11 rs rd无1RS带进位循环左移一位，然后rs f RDLAD M,D,rd00 M 00 rdD2有效数据E f RDSTA M,D,rd00 M 01 rdD2R有效地址EJMP M,D00 M 10 00D2有效数据Ef PCBZC M,D00 M 11 rdD2当CY=1或ZI=1时，有效数据Ef PCIN rd01 00 01

8、 rd无1INPUT设备的数据f RDOUT rd01 01 10 rd无1R OUTPUT UNITHALT01 10 00 00无1停机四、设计环境1、 ZY15Comp12B计算机组成原理教学实验系统一台2、排线若干3、PC机一台H、设计原理复杂模型机的数据通路框图如图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。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，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。微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16A

9、BPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS G001P1010P LDDR1010P RD G0 :10P2011LDDR2011RI G011P3100LDIR100299 G100P4101LOAD101ALU G101AR110LDAR110PC G110LDPC地址总线模型机数据通路框图WE复杂六、设计步骤1、根据复杂模型机的指令系统，编写实验程序。实验例程如下：本实验完全使用寄存器操作。程序首先从数据输入开关采集数据放入R0中，经循环左移两次放入 R1中。然后再次从数据输入

10、开关采集数据放入R0中，经循环右移一次与R1中的数据相加，其结果送到R1中，然后判断加法的结果是否有进位或为全零，若是就循环运行，否则，输出结果到数码管上显示。实验 的机器指令程序如下：地址内容助记符说明0044INR0；INPUT数据 R0,第一次采集数据（设输入数据为14H)01 F0RLC R0, R0；R0带进位左循环移位一次02F1RLC R0, R1;第一次左移后保存到R1中0344IN R0;输入开关数据R0,第一次米集数据（设输入数据仍为14H)04E0RRC R0, R0;R0带进位右循环移位一次0591ADC R0, R1；两数据相加060CBZC 00；若有进位或结果为零

11、，则跳到00地址单元07000859OUT R1；R1 OUTPUT UNIT 显示；0960HALT；停机以上程序的机器指令如下：$P0044$P01F0 $P02F1$P0344$P04E0 $P0591$P060C$P0700 $P0859$P0960微程序$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300A004$M0400E0A0$M0500E006$M0600A007$M0700E0A0$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A03B$M0B018001$M0C00203C$M0D00A00E$M0E01B60F$M0F95EA25$M1001ED

12、83$M1101ED85$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$M2D05AB6E$M2E0DAA

13、2F$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A$M3A019801$M3B070A08$M3C068A092、按图 2-9 连接实验线路，仔细检查线路无误后接通电源。 （图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）9DATA BUSDATA BUS接到单AP单兀接到SWA sWTCH单元接到DATA BUSTS1TS2TS3TS4CLOCK59ASIGNALAii r

14、T1T2T3T4D0ALU_Gj299 GlIjJD11_r*S3 |-iD7S2 TS1ALUS0MD0CN.JD2LDDRTLDDR2 一啣D7 Y Z1 1 1ARnp ALU_G.匚 299_G|-| S3S2S1S0M|_| CNrn lddri上 LDDR2AR1111JPC_G LDAR LOAD LDPCPC_GLDARLOADLDPCADDRESo- 71 6 E E s- sSE1SE6PPPPRSLDFRS_GLDRIP1P2P3P4o 7D- DY1 OWEMICROldir 匚mY0 口Y2 D1we|ZH复杂模型机实验D0匚J1CEQWED7A0MEMA7hj1LD

15、IRI0二IRIR .I7SW GINPUT柜| LED_GD0 一WE.OUTPUTD7接到DATA BUS接到ADDR BUS接到LOG单元接到DATA BUS图2-901 013、写程序对于本实验箱可以用两种方法来写入程序。方法一：联机读/写程序按照规定格式，将机器指令及微指令编辑成十六进制的规定格式文件，已经在前面列出。使用联机软件的文件装载将实验程序和微程序下载到实验箱中，并用软件的读出功能进行检查。本实验参考程序对应的文件名为“复杂模型机.TXT”（联机软件的使用方法参看附录2）。方法二：手动写入（1） 先将机器指令对应的微代码正确地写入 28C16中，可以参照实验 1.7微程序控

16、制器的组成与微 程序设计实验中微代码的写入方法，将本实验对应的微代码写入E2PR0M芯片中，对照前面的微程序内容 校验正确后就可使用。（2）使用控制台 WRITE和READ微程序进行机器指令程序的手动装入和检查，其操作如下：A、 使 SIGNAL UNIT 单元的 SP03为“ STEP 状态，SP04 为“ RUN 状态，CONTROL UNIT勺开关 SP05 处于“ NORM状态，开关 SP06处于“ RUN 状态。B、 拨动SWITCH单元的总清开关CLR（ 1 0 1），微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使SWITCH 单元的SWBSWA开关设置为“01”，按动一次CONTROU

17、NIT的触动开关START微地址显示灯显示“001001 ”， 再按动一次START微地址灯显示“ 001100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动两次START键后，即完成该条指令的写入。若仔细阅读WRITE的流程，就不难发现，机器指令的首地址总清后为零，以后每个循环 PC会自动加1。所以，每次按动 START只有在微地址灯显示“ 001100”时，才设置内容， 直到所有机器指令写完。C、 校验。拨动 SWITCH单元的总清开关 CLR（ 1 0 1）,微地址清零。PC程序计数器清零，然后使 SWITCH单元的开关 SWBSWA为“ 00”，按动CONTROU NIT的触动开关

18、START微地址灯将显示 “ 001000”， 再按START微地址灯显示为“ 001010 ”，第三次按 START微地址灯显示为“ 111011”，再按START后, 此时OUTPUTS元的数码管显示为该首地址中的内容。不断按动START以后每个循环 PC会自动加1，可检查后续单元内容。每次在微地址灯显示为“001000 ”时，是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。4、运行程序方法一：联机运行程序首先使各个开关的状态为：SIGNALUNIT中的SP03开关设置为“ STEP状态。SP04开关设置为“ RUN状态；CONTROU NIT的开关SP05处于“ NORM状态，SP06处于

19、“ RUN 状态；SWITCH单元的开关 SWBSWA为 “ 11”。使SWITCH单元的总清开关 CLR( 1 0 1)清零后，程序首址为00H。通过联机软件进入调试界面(其操作方法参见附录 2 系统联机操作软件说明) ，可以通过调试程序的操作界面控制程序的运行，同时观察 运行过程和结果。方法二：手动运行程序 ( 1 )单步运行程序A 、使 CONTROL UNIT勺开关 SP05处于“ NORM状态，SP06处于“ RUN状态，SIGNAL UNIT中的 SP03为“ STEP状态，SP04为“ RUN状态，SWITCH单元的开关 SWB SWA为“ 11”。B 、拨动SWITCH单元的总

20、清开关 CLR( 1 0 1),微地址清零，程序计数器清零，程序首址为00H。C 、单步运行微指令，每按动一次CONTROL UNIT的START触动开关，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图2-8，观察微地址显示灯 MA5-MAQ是否和流程一致。D 、当运行结束后，可检查运行结果是否和理论值一致。如果运行结果保存在RAM的某一个单元中，则可以使用手动写入中的校验方法将其读出。( 2)连续运行程序A 、使CONTROL UNIT勺开关SP05处于“ NORM状态，SP06处于“ RUN状态，SIGNAL UNIT 中的 SP03为“ RUN状态，SP04为“ RUN状态，SWITCH单元的开

21、关 SWB SWA为“11”。B、 拨动SWITCH单元的总清开关 CLR( 1 0 1),微地址及程序计数器清零，然后按动CONTROU NIT的START触动开关，系统连续运行程序，稍后将SIGNAL UNIT中的SP04拨至“ STOP时，系统停机。C、 停机后，可检查运行结果是否正确。如果运行结果保存在RAM的某一个单元中，则可以使用手动 写入中的校验方法将其读出。七、实验总结，心得体会经过这次课程设计我了解了很多知识，也学到了一些课本中没有的知识点，实践给我们 带来了很多快乐，但是在这快乐中我们有着艰辛，在我们接完线的时候，去运行机器总是出 错，我们一步一步的检查，到最后一遍又一遍的

22、重新连线，到最后终于成功了，心里有着一 般人没有的喜悦。计算机设计与实践实验课程不仅仅是对理论的验证，重要的是技术训练和能力培养，包 括动手能力、分析问题和解决问题的能力、书写能力和表达能力、团队协作能力等的培养也 就是要注重学生的工程能力， 培养学生完成项目实践的能力， 同时，要培养学生交流的能力， 能够很好地表达自己的设计思想，这也是工程实践中必不可少的。因此，在整个课程中，指 导教师多次与学生交流设计方案，让学生在与老师的交流中逐渐理解处理器的工作原理。同 时，培养学生书写报告的能力，很多学生只注重编程序，而不重视课程报告的撰写，这需要 老师的引导和成绩比例分配的导向，让学生真正理解报告不