复杂模型计算机设计

1、PAGE PAGE 24课程设计（大作业）报告课程名称： 计算机组成原理 设计题目： 复杂模型计算机 院 系： 信息技术学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 20110101 指导教师： 王震江 设计时间： 2013.7.82013.7.12 昆明学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓 名：院（系）：信息技术学院专 业：计算机科学与技术学 号： 任务起止日期：2013.7.82013.7.12课程设计题目：复杂模型计算机课程设计要求：1、先做基本模型计算机实验。2、在基本模型计算机实验的基础上，进行复杂模型计算机设计具体任务为： 根据基本模型计算机的实验原理，设计复杂模型计算机的组成结构；画

2、出复杂模型计算机的组成结构图；设计实验例程；输入程序，调试，运行；根据程序执行情况，画出程序运行的通路图，并描述程序执行的过程；总结心得体会，说明对此次课程设计的理解和建议；3、撰写课程设计报告书。 报告书内容包含：复杂模型机原理描述，画出复杂模型计算机的组成结构图；设计实验例程；输入程序，调试，运行；根据程序执行情况，画出程序运行的通路图，并描述程序执行的过程；总结心得体会，说明对此次课程设计的理解和建议；工作计划及安排： 星期一：查阅有关资料，开始连接电路。星期二：检查电路，并开始运行。星期三：讨论运行中出现的问题，并调试出结果。星期四：开始写课程设计报告。星期五：完成课程设计报告。在此过

3、程中有不明白的地方与同组成员讨论并查阅相应资料。指导教师签字 年 月 日 课程设计（大作业）成绩学号： 姓名： 指导教师：王震江课程设计题目：复杂模型计算机总结：本次课程设计中，刚开始接触题目的时候比较茫然，不知道改如何下手，在对设计题目的理解和分析之上就要花很长的时间。但是仔细的分析之后，对实验的基本要求还是有了一定的理解。 通过这次课程设计，使我对简单模型机和复杂模型机的结构和设计有了更多的了解，也了解了程序在模型机中是怎样运行的。我认为实验中最重要的是理解实验过程和微程序的设计。先要读懂程序要做什么，然后要把实验过程转换成八位二进制指令代码，接下来要画程序流程图，最后就是把代码转换成模型

4、机可处理的微指令代码。微指令代码为模型机提供了每次需要进行什么操作，并且指出了下一条指令的地址，这样模型机就能自己连续的运行了。 在实验中，我发现团队合作也是学习中一项必不可少的因素，我们小组遇到问题时，经常进行讨论，每次讨论都能得到不少的收获，并且问题也能很快就能解决。在做实验的时候，我们也会进行不同的分工，这样就加快了做实验的速度，所以团队合作精神也是非常重要的。指导教师评语：成绩：填表时间：指导教师签名：目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc361346441 一、题目分析 PAGEREF _Toc361346441 h 5 HYPERLINK l _To

5、c361346442 1.1课程设计题目 PAGEREF _Toc361346442 h 5 HYPERLINK l _Toc361346443 1.2课程设计目的 PAGEREF _Toc361346443 h 5 HYPERLINK l _Toc361346444 1.3 设计要求 PAGEREF _Toc361346444 h 5 HYPERLINK l _Toc361346445 二、指令格式 PAGEREF _Toc361346445 h 6 HYPERLINK l _Toc361346446 三、总体设计 PAGEREF _Toc361346446 h 7 HYPERLINK l

6、_Toc361346447 四、实验过程 PAGEREF _Toc361346447 h 10 HYPERLINK l _Toc361346448 4.1编写实验程序 PAGEREF _Toc361346448 h 10 HYPERLINK l _Toc361346449 4.2连接实验线路 PAGEREF _Toc361346449 h 11 HYPERLINK l _Toc361346450 4.3写程序并运行程序 PAGEREF _Toc361346450 h 11 HYPERLINK l _Toc361346451 4.4运行结果 PAGEREF _Toc361346451 h 12

7、HYPERLINK l _Toc361346452 五、程序代码 PAGEREF _Toc361346452 h 21 HYPERLINK l _Toc361346453 六、参考文献 PAGEREF _Toc361346453 h 21课程设计（大作业）报告一、题目分析1.1课程设计题目复杂模型机设计1.2课程设计目的综合运用所学计算机原理实验知识，设计并实现较为完整的计算机。1.3 设计要求（1）确定设计目标参考实验指导书上复杂模型机设计的过程，运用其微指令格式，独立设计指令系统。并用该指令系统中的指令编一完成简单运算的程序（有数据输入和输出的）。并进行调试运行。（2）确定指令系统确定数据

8、的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。（3）总体结构与数据通路总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传送路径，以及实现这些传送所需要的微命令。对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器采用微程序控制。综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。（4）设计指令执行流程数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控

9、制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。（5）确定微程序地址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。（6）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。（7）组装、调试在总调试前，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

10、调试及执行指令的正确性验证。二、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、IO指令、访问存储器及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：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE RsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：选中的寄存器（Rs或Rd）R0R1 R2 寄存器的编码000110(2) 访存指令及转移指令模型机设计2条访问指令，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)。

11、其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7D0OP-CODEM OP-CODE RdD其中，OP-CODE为操作码， Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：寻址方式 有效地址 说 明 00 E=D直接寻址01E=（D）间接寻址10E=（RI）+DRI 变址寻址11E=（PC）+D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指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE addrRd其中，addr=01 时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时

12、，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。(4) 停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 1 1 0 0 00 0 （5）指令系统复杂模型机有16条基本指令，其中算数逻辑指令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，其它指令一条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 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10RDMOV rs,rd10 00 rs rd无1RSRDADC rs,rd10 01 rs rd无

13、1RS+RD+cyRDSBC rs,rd10 10 rs,rd无1RS-RD-cyRDINC rd10 11 x xrd无1RD+1RDAND rs,rd11 00 rs rd无1RSRDRDCOM rd11 01 x xrd 无1DRRC rs,rd11 10 rs rd无1RS带进位循环右移一位，然后RSRDRLC rs,rd11 11 rs rd无1RS带进位循环左移一位，然后RSRDLDA M,D,rd00 M 00 rdD2有效数据ERDSTA M,D,rd00 M 01 rdD2RD有效地址EJMP M,D00 M 10 00D2有效地址EPCBZC M,D00 M 11 rdD2

14、当CY=1或ZI=1时，有效地址EPCIN rd01 00 01 rd无1输入单元的数据RDOUT rd01 01 10 rd无1RD输入单元HALT01 10 00 00无1停机三、总体设计复杂模型机的数据通路框图如图2-7.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2-8. 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表2 复杂模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16 A B PuA

15、5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的P1P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具

16、体来说，P1测试用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3uA0）与指令寄存器高四位（IR7IR4）相或得到各路分支；P2测试用下址低2位（uA1uA0）与指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4与(ZI +CY)相或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位（uA1uA0）与SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号，目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器

17、R0、R1及R2的选通译码。三字段中的其他位类似与此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。复杂模型机的数据通路框图图2-8 复杂模型机微程序流程图四、实验过程4.1编写实验程序实验例程如下：本实验完成使用寄存器操作。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 00 44 IN R0 : 输入单元数据R0，第一

18、次采集数据（设输入数据为14H） 01 F0 RLC R0,R0 : R0带进位左循环移位一次 02 F1 RLC R0,R1 : 第二次左移后保存到R1中 03 44 IN R0 : 输入开关数据R0，第二次采集数据（设输入数据仍为14H）04 E0 RRC R0, R0 : R0带进位右循环移位一次05 91 ADC R0,R1 : 两数据相加06 0C BZC 00 : 若有进位或结果为零，则跳到00地址单元07 0008 59 OUT R1 : R1输入单元显示09 60 HALT : 停机4.2连接实验线路4.3写程序并运行程序写入程序、手动写入（1）先将机器指令对应的微代码正确写入

19、28C16中（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、使用控制台单元的SPO3为“STEP”状态，SPO4为“RUN”状态，SPO5处于“NORM”状态，开关SPO6处于“RUN”状态。B、拨动开关单元的总清开关CLR（101），微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使开关单元的开关SWB、SWA为“01”，按动一次控制台单元的触动开关START，微地址灯将显示为“001001”，再按动一次START，微地址灯显示为“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。C校验。拨动开关单元的总清

20、开关CLR（101），微地址清零。PC程序计数器清零，然后使开关单元的开关SWB、SWA为“00”，按动控制台单元的触动开关START，微地址灯将显示为“010000”。再按START，微地址灯显示为“010010”，第三次按动START，微地址灯显示为“010111”，再按START后，此时输出单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“010000”时，是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。、手动运行程序（1）单步运行程序A、使控制台单元的开关SPO5处于“NORM”状态，SPO6处于“RUN”状态，SPO3为“STEP”状态，SPO4为“RUN”状态，开关单元的开关SWB、SWA为“11”。B、拨动开关单元的总