计算机组成原理课程设计

桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告计算机组成原理课程设计说明书题 目： 设计一台嵌入式 CISC 模型计算机 学 院： 计算机科学与工程学院 专 业： 信息安全 学生姓名： 马文亭 学 号： 1200360204 指导教师： 陈 智 勇 桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告目 录引言.11.课程设计的题目和内容.11.1课程设计的题目.11.2 课程设计完成的内容.12.系统总体设计.12.1嵌入式 CISI模型机系统总体设计.22.2 嵌入式 CISC系统控制器的逻辑结构框图.22.3 模型机的指令系统和所有指令的指令格式设计.33.微程序控制器的设计全过程 .63.1微程序控制器的设计.63.2地址转移逻辑电路的设计.73.3 汇编语言程序.73.4 对应的地址秒机器代码表.83.5 微程序流程图如下所示.83.6 微指令.94.MAX PLUS ii软件编译仿真测试和结果分析.104.1 嵌入式 CISC模型计算机的顶层电路图.104.2编译仿真测试和结果分析.125.故障现象和故障分析.146.心得体会.157.参考文献.178.附录.18桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 1 页引言课程设计是实践性教学中的一个重要环节，它以某一课程为基础，可以涉及和课程相关的各个方面，是一门独立于课程之外的特殊课程。课程设计是让同学们对所学的课程更全面的学习和应用，理解和掌握课程的相关知识。“计算机组成原理”是计算机及相关专业一门重要的实践教学内容，是计算机理论和应用的最基本的组成和工作原理。通过学习和实践，可以学生的动手能力，锻炼学生勇于探索、善于思考和团结协作的精神，同时还可提高学生使用计算机解决实际问题的能力。1.课程设计的题目和内容1.1课程设计的题目题目：设计一台嵌入式 CISC 模型计算机采用定长 CPU 周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下：输入 5 个整数（有符号数），输出所有正数的平方和。1.2 课程设计完成的内容1.完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图；2.设计微程序控制器（CISC 模型计算机）的逻辑结构框图； 3.设计机器指令格式和指令系统； 4.设计时序产生器电路； 5.设计所有机器指令的微程序流程图； 6.设计操作控制器单元；在 CISC 模型计算机中，设计的内容包括微指令格式（建议采用全水平型微指令）、微指令代码表（根据微程序流程图和微指令格式来设计）和微程序控制器硬件电路（包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器等。具体电路根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码来设计）。7.设计模型机的所有单元电路，并用 VHDL 语言（也可使用 GDF 文件-图形描述文件）对模型机中的各个部件进行编程，并使之成为一个统一的整体，即形桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 2 页成顶层电路或顶层文件； 8.由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序；9.根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序，并将其设计到模型机中的 ROM 中去；10.使用 EDA 软件进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求；（其中要利用EDA 软件提供的波形编辑器，选择合适的输入输出信号及中间信号进行调试。）2. 系统总体设计2.1嵌入式 CISI模型机系统总体设计图 212.2 嵌入式 CISC系统控制器的逻辑结构框图桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 3 页图 2-2说明：在 T4 内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在 T2 的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。2.3 模型机的指令系统和所有指令的指令格式设计CISC 模型机的指令系统采用复杂的指令格式、多种指令字长度和多种寻址方式，但指令功能强大，单条指令的执行速度较慢。为了完成这次课程设计的功能，本次设计设计了 10 条指令：MOV（将一个数送入寄存器），IN（输入），DEC（自减 1），JNZ（不等于 0 跳转），TEST（测试 DR，锁存 FS），JS（小于 0 跳转），IMUL（求平方），ADD（求和），OUT（输出），JMP（比较）。如下用到的 Rs 和 Rd 分别表示源寄存器和目的寄存器，各自的指令格式如下：(1)输入指令（IN1）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rd MOV 指令格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rd 立即数 im桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 4 页相加指令（ADD）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rs Rd 减 1 指令（DEC）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rd 非零条件转移指令（JNZ）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 地址 addr无条件转移指令（JMP）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 地址 addr输出指令（OUT1）格式：乘法指令（IMUL）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rd 判断箱号位转移（TEST）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 RS 非负条件转移指令（JS）格式：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 地址 addr(2)模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为 8 位，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0符号位 尾数(3)对于 Rs 或 Rd 的格式我们规定如下：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0操作码 Rs 桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 5 页Rs 或 Rd 选定的寄存器00 R001 R110 R211 R3(4)其中 S2，S1，S0 表示的是算术逻辑运算单元 ALU，其功能表为：S2 S1 S0 功能0 0 0 X+Y0 0 1 X-Y0 1 0 Y*Y0 1 1 X-11 0 0 SF=TEMP(7)1 0 1 XY1 1 0 Y表 2-1(5)程序计算器 PC 的功能表：CLR LOAD LDPC 功能0 将 PC 清 01 0 BUSPC1 1 0 不装入，也不计数1 1 PC+1表 2-2（6）指令系统表如下： 指令格式指令助记符15-12 1110 9 8 7-0功能IN Rd 0001 Rd 输入设备-RdMOV Rd,im 0010 Rd im (Rs)-Rd桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 6 页DEC Rd 0011 Rd (Rd)-1-Rd,锁存标志位TEST Rd 0100 Rd 测试(Rd)的最高位JS addr 0101 addr 若为负，则 addr-PCMUL Rd 0110 Rd (RD)*(RD)-RD,锁存标志ADD Rs,Rd 0111 Rs Rd (Rs)+(Rd)-Rd,锁存标志OUT Rs 1000 Rs (Rs)-输出设备JMP addr 1001 addr Addr-PCJNZ addr 1010 addr 若不等，则 addr-PC表 2-3(7) 时序产生器 时序信号产生器用于产生多级食醋系统中需要的时序信号，本实验采用的是微程序控制器的时序产生器，如下图图 2-33.微程序控制器的设计全过程 3.1微程序控制器的设计微程序控制器的设计包括以下几个阶段：（1）根据微处理器结构图、指令格式和功能设计所有机器指令的微程序流程桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第 7 页图，并确定每条微指令的微地址和后继微地址；（2）设计微指令格式和微指令代码表；（3）设计地址转移逻辑电路；（4）设计微程序控制器中的其它逻辑单元电路，包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器；（5）设计微程序控制器的顶层电路（由多个模块组成）。3.2地址转移逻辑电路的设计地址转移逻辑电路是根据微程序流程图中的棱形框部分及多个分支微地址，利用微地址寄存器的异步置“1”端，实现微地址的多路转移。由于微地址寄存器中的触发器异步置“1”端低电平有效，与 A5A0 对应的异步置“1”控制信号 SE6SE1 的逻辑表达式为：SE6= ZFP(3)T4SE5=ZFP(2)T4SE4=I15P(1)T4SE3=I14P(1)T4SE2=I13P(1)T4SE1=I12P(1)T43.3 汇编语言程序本题目的算法思想为：采用 R0 寄存器存放从输入设备输入的整数，R1 存放准备参加累加运算的结果，R2 存放循环的次数。汇编语言如下所示：汇编 功能MOV R1，0 将立即数 00R1(R1 用于计算累加的结果，开始时清 0)MOV R2，5 将立即数 05R2