组成原理基本模型机设计

1、安就琨工大爭课程设计说明书组成原理课程设计题目：基本模型机院 系：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：2013安徽理工大学课程设计（论文）任务书计算机科学与工程院系计算机系学号学生姓名专业（班级）设计题 目基本模型机设计技术参数1.本系统采用DJ-CPTHS强型计算机组成原理教学实验系统搭建电路图， 在实验上实现指令系统。2利用软件工程中的可行性研究以及分析方法，进行系统分析。设计要求1在基本模型机的基础上构建一组能实现输入、输出、加、减、逻辑与、 逻辑或、逻辑非、转移指令等8个功能的指令，这些指令的助记符不得与 指导书上相同。2.指令包括立即数寻址、寄存器直接寻址、存储器直接寻址二种寻址

2、方式。3利用新构建的指令系统编程，分别实现带进位的循环右移功能。工作 量1. 课程设计说明书2000字以上；2. 画出流程图，编写微指令代码和程序。（1）设计的目的及设计原理。（2）根据设计要求给出模型机的逻辑框图。（3） 设计指令系统，并分析指令格式。（4）设计微程序及其实现的方法（包括微指令格式的设计，后续微地址的产生方法以及微程序入口地址的形成）。（5）模型机当中时序的设计安排。（6）设计指令执行流程。工 作 计 划1. 首先认真研究老师所给的题目，了解题目要求做什么。2. 查阅资料，解决难题。3. 编写源程序并调试之。4. 写课程设计说明书参 考 资 料1 张昆藏计算机系统结构北京：科

3、学出版社，19942 著平玲娣，潘雪增计算机组成与设计浙江大学出版社，出版日期： 2004-1-13 白中英计算机组成原理（第四版）北京：科学出版社，19984 DJ-CPTH超强型计算机组成原理与系统结构实验指导书指导教师签字教研室主任签字2013年11 月 28 日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表指导教师评语:成绩：指导教师：年 月日摘要本CPTH计算机组成原理实验仪，可以由用户自己设计指令 /微指令系统，“指令流 水实验”就是利用另一套指令 /微指令系统来实现指令的流水工作。 这样可以在现有的 指令系统上进行扩充，加上一些较常用的指令，也可重新设计一套完全不同的指令 / 微指令系统

4、。 CPTH 内已经内嵌了一个智能化汇编语言编译器，可以对设定的汇编助 记符进行汇编。本次实验需要利用自己编写的计算机指令系统实现计算机基本模型机的功能关键词 ： 计算机 组成原理 微指令 基本模型机目录1 实验系统分析 11.1 DJ-CPTK简介11 .2实验目的 21 .3实验要求 21 .4实验流程 31 .5实验原理 42 系统设计 62.1 指令系统助记符设计 63 系统实现 133.1 功能实现 134 总结 164.1 设计体会 164.2 系统改进 16参考文献 181实验系统分析1.1 DJ-CPTH 简介DJ-CPTH型计算机组成原理实验系统 以下简称系统 ，是由江苏启东

5、市东疆计算机有限公司结 合国内同类产品的优点，最新研制开发的超强型实验计算机装置以下简称模型机 。该系统采用单片机管理和EDA控制技术，自带键盘和液晶显示器，支持脱机和联PC机两种工作模式，运用系统监控和数码管等实时监视，全面动态管理模型机的运行和内部资源。模型机软硬件配置完整， 支持8位字长的多种寻址方式，指令丰富，系统支持RS-232C串行通讯，并配有以win98/2000/XP为操作平台的动态跟踪集成调试软件，示教效果极佳，特别适用于计算机组成原理课程的教学与 实验。CPTH计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。实验平台上有寄 存器组R0-R3、运算单元、累加器

6、A、暂存器 W直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、 堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合 逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式 LCD RS232如图：1.2实验目的1 在掌握部件单元电路实验的基础上，将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块组合 成一起，组成一台基本模型计算机。2 用微程序控制器来控制模型机的数据通道。3 通过CPU运行五条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，建立利用指 令控制整机（输入、输出、运算、存储系统）的概念。1.3实验要求实验前

7、，做好实验预习，学会用基本机器指令编写程序。实验过程中，要认真进行实验操作 和思考实验有关的内容，把自己不太明白的问题通过实验去理解清楚，争取得到最好的实验结果， 达到预期的实验教学目的。1在基本模型机的基础上构建一组能实现输入、输出、加、减、逻辑与、逻辑或、逻辑非、 转移指令等8个功能的指令，这些指令的助记符不得与指导书上相同。2.指令包括立即数寻址、寄存器直接寻址、存储器直接寻址三种寻址方式。3利用新构建的指令系统编程，分别实现带进位的循环右移功能。1.4实验流程模型机报告1.5实验原理系统实现基本功能外，还要实现循环进位右移功能。1其进位循环右移原理如下：右移一次后，默认前端补零0右移二

8、次后，判断进位标志为一，则将此数加80H,实现进位右移2不带进位循环右移原理:将33H右移2系统设计2.1指令系统助记符设计1.打开CPTH组成原理实验软件，选择文件|新建指令系统/微程序，清除原来的指令/微程 序系统，观察软件下方的“指令系统”窗口，所有指令码都“未使用”。指竽集1崩徵程序1跟踪助记符机器码1机器码2机器码3注释l_FATCH_OOOOOOxx 00-03宜若竝占用不可修苛OOODOIxx 04-D4未食用00001 Okk D841B未蟻用OOODIIkx DC OF000100xk10-13未楼用v1选择第三行，即“机器码 1”为0000 10XX行，在下方的“助记符”栏

9、填入加法功能的指令助 记符“ ADDD，在“操作码1 ”栏选择“ A”，表示第一操作数为累加器 A,在“操作数2”栏选择 “#* ”，表示第二操作数为立即数。按“修改”按钮确认。同理将其他指令写入。2.模型机的寻址方式分五种：累加器寻址：操作数为累加器A,例如“ CPLA”是将累加器 A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A,例如“ OUT是将累加器 A的值输出到输出端口寄存器 OUT寄存器寻址：参与运算的数据在R0-R3的寄存器中，例如“ADDA，R0”指令是将寄存器 R0的值加上累加器A的值，再存入累加器 A中。寄存器间接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在寄存器 R0-R3中，

10、如“ MOVA，R1指令是将寄存器 R1的值做为地址，把存储器 EM中该地址的内容送入累加器A中。存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器 EM中，数据的地址为指令的操作数。例如“ ANDA40H”指令是将存储器 EM中40H单元的数据与累加器 A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。立即数寻址：参与运算的数据为指令的操作数。例如“ SUB A #10H是从累加器 A中减去立即数10H,结果存入累加器 Ao模型机的缺省的指令集分几大类：算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、数据传输指令、跳转指令、中断返回指令、输入/输出指令。本系统共设计了四种寻址方式：力口 ADDD减SUBB进位加 ADDCC进

11、位减SUBCC与ANDD或ORR操作（寄存器间接寻址未使用）八种转移操作MOW一种寻址方式：读READD写 WEITE进位标志跳转 JCC零标志跳转JZZ、无条件跳转JMPR 中断NT_、调用子程序 CALLL输入INN、输出OUTT子程序返回 RETT右移RRR左移RLL、 进位右移RRCC进位左移RLCC空指令NOPP取反CPLL中断返回RETII共24条指令指令如图：Id； 一行列脱机ADDD A.R?0001 OOkx 10 13ADDD A,R?000101KX 14-17ADDD A/000110xx 18-1BADDD A.tt-OOGIIIrx 1C-1FXADDCC A,R?

12、OOIOOOkx 20 23ADDCC001001XX 24 27ADDCC A/00101 Oxx 28 2BADDCC A,#*00101 Ixx 2C-2FXSUBB A,R?OQIIOOxk 30-33SUBB 2R?001101 xx 34 37SUBB A/001110xx 38-3B3.SUBBOOlHIxx 3C-3FS.SUBCC AfR?01000Oxx 40-43SIIBCC A,B?01000144 47SUBCC A?01001 Oxx 48 4BXXSUBCC A JI*QIOOIIkx 4C-4FANDD扎R?OlOIODxx 50-53|ANDD A.R?010

13、101 xk 54-57L一”1_助记符操作数1操作教机器码1Iandd|A 31|R?二010101 XK 54-5调过窗口 libengongneng asm | EPRom |MOW & E2AIWU A, #01HJZZ AA行:1列:1脱机ANDD A,R?0101 DI XX 54-57AND DA,0101 IOix 58-5BANDD A,#T010111xx 5C-5Fs.ORR A,R?OHDOOxx G0-G3ORR A,R?011001 kk 64-67ORR： A/011D1 Oxx 68 GBXORR AJOIIOIlix GC-6FMOW A,R?011100IX

14、 70-73MOW A,R?011101 xx 74 77MOW A7OIIIIOxm 78-7BMOW A,B011111km 7C-7FHOW R?人10OOOOxx 80-83MOW R?A100001XX 84-87MOW =410001 On 88-8 BVMOW RZtt100011km 8C-8FXREADD A/1001 OOix 90-93WRITEE A100101 ix 94-972100110km 99 9B100111 xx 9O9FJCC -IOIDOOkk A0-A3.助记符攧作数1操作對机器码1IanddB J|R?-OlOIOOxx 5(行:1列:1脱机JCC

15、 -lOIOOOxx A0-A3SJZZ =101001 NX A4 A7:10101 0km A8 ABJMPP 1IOIOIIxx AC AFa.10110Oxx B0-B3101101 xx B4-B7NT_101110xx B8 BBCALLL 1101111n BOBFKINN110OOOxx CO C3OUTT110001 ix C4-C711001 Okh C8 CBRETT110011km cc-cfRRR A110100xx D0-D3RLL A110101IX D4-D7RRCC A110110xx D8-DBRLCC AIIOIIIkh DC DFNOPP1110OOxx

16、 E0 E3CPLL A111001 ix E4-E711101 Oxx E8-EBRETII111011 kk EC EF* n nw- r-斷记符换作数1犧作麹机器码1r i100111KX 9C9F22指令微程序设计将窗口切换到“ uM微程序”窗口，现在此窗口中所有微指令值都是OFFFFFFH也就是无任何操作，我们需要在此窗口输入每条指令的微程序来实现该指令的功能。指令集uM徴程序跟踪状畜徽地址徽糧序数据输网數据旗地址输出移位揑制uPC |PC_FETCH_00浮空嚇出+101FFFFFF浮空浮空隔出+102FFFFFF+103FFFFFF浮空浮空端出+1LD 504FFFFFF浮空浮空

17、隔出+105FFFFFF浮空+1每个程序开始要执行的第一条微指令应是取指操作，因为程序复位后，PC和uPC的值都为0，所以微程序的0地址处就是程序执行的第一条取指的微指令。取指操作要做的工作是从程序存储器EM中读出下条将要执行的指令，并将指令的机器码存入指令寄存器IR和微程序计数器uPC中，读出下条操作的微指令。根据此功能，观察窗口下方的各控制信号，有“勾”表示信号为高， 处于无效状态，去掉“勾”信号为低，为有效状态。要从EM中读数，EMRD必需有效，去掉信号下面的“勾”使其有效；读 EM的地址要从PC输出，所以PCOE要有效，允许PC输出，去掉PCOE 下面的“勾”，PCOE有效同时还会使

18、PC加 1,准备读EM的下一地址；IREN是将EM读出的指令码 存入uPC和IR，所以要去掉IREN的“勾”使其有效。这样，取指操作的微指令就设计好了，取指 操作的微指令的值为 CBFFFFH然后把助记符_FATCH_，状态TO,微地址00,微程 序CBFFFFH.（其余为注释可略），按照上表格式填入，其余类同.现在我们来看把立即数装入累加器A要做哪些工作，首先要从 EM中读出立即数，并送到数据总线DBUS再从DBUS上将数据打入累加器 A中，按照这个要求，从EM中读数据，EMR啦该有 效，EM的地址由PC输出，PCOE必需有效，读出的数据送到 DBUS EMENk应有效，要求将数据存 入A中

19、,AEN也要有效，根据前面描述“ LD A, #* ”指令有两个状态周期，T1状态将所有有效位下面的“勾”去掉，使其有效，这条微指令的值为C7FFF7H为了保证程序的连续执行，每条指令的最后必需是取指令，取出下条将要执行的指令。T0状态取指微指令的值为 CBFFFFH（取操作描述可见第步）。本指令为立即数加法指令，立即数加可分两步， 首先从EM中读出立即数，送到DBUS并存入工作寄存器 W中，从EM中读数，EMRD应有效，读EM的地址由PC输出，PCOE要有效，读出的 数据要送到DBUS EMEf应有效，数据存入 W中，WEt应有效，根据描述，“ ADDA,#* ”指令的T1 状态微指令的值为

20、 C7FFEFH第二步，执行加法操作，并将结果存入A中。执行加法操作，S2S1S0的值应为000 （二进制），结果无需移位直接输出到DBUS X2X1X0的值就要为100 （二进制），从DBUS将数据再存入 A中，AEN应有效。与此同时，ABUS和IBUS空闲，取指操作可以并行执行， 也就是以PC为地址，从EM中读出下条将要执行指令的机器码，并打入IR和uPC中，根据取指操作的说明，EMRD PCOE IREN要有效，根据上面描述，T0状态时将 EMRD PCOE IREN、X2X1X0 AEN S2S1S0都置成有效和相应的工作方式，此微指令的值为CBFF90H同理将其他指令对应上微指令部分

21、微指令如下：II i J指令隼mH徴程序跟踪1助记符状态徽地址徽程序数拥输出数据打入地址输出|BBFFFFFF綁出CALLLT3BCEF7F7FP匚值地址寄存器IPCffi出端出T2BDFFEF7Fpci堆栈寄存器!綁出T1BED6BFFF存贮器值E”寄存器PCMAR输出嚇出TOBFCBFFFF指令寄存器IPCffi出嚇出INNT1COFFFF17用户IN寄存器A嚇出TOClCBFFFF指令寄存器1P滋出綁出C2FFFFFF嚇出C3FFFFFF綁出OUTTT1C4FFDF9F也LU直通用户OUT嚇出TOC5CBFFFF指令寄存器IP it嚇出C6FFFFFF出C7FFFFFF嚇出UNDEFTO

22、CBCBFFFF指令寄存器lFW出嚇出C9FFFFFF端出CAFFFFFF嚇出CBFFFFFF出RETTT1ccFEFF5F堆栈寄存器:寄存器PC端出TOCDCBFFFF指令寄存需15出嚇出CEFFFFFF端出CFFFFFFF端出RRRA:T1DO :FFFCB7ALU右移寄存器A标二嚇出TOD1CBFFFF増今事存嬰1F5宙出卫EDEX?r PC：P疋厂 E EYES17IREN EHIT 厂 PELPKARCE 3-E7EX STEN RED 或SE CH Fip|7ppp|7F口unn iiPr rnA-nn 11/nfl r n 7-n Inn.nro.nn nn.rnn menin.

23、rwi rt.nn i A.tm (4)选择菜单文件|保存指令系统/微程序功能，将新建的指令系统/微程序保存下来，以便以后调用。为不与已有的指令系统冲突，将新的指令系统/微程序保存为new.mac”3系统实现3.1功能实现在程序窗口输入以下程序实现基本功能代码功能结果INN输入55HADDD A,#01H加56HSUBB A,#01H减55HANDD A,#33H逻辑与11HORR A,#22H逻辑或33HCPLL A逻辑非CCHOUTT输出CCH调试窗口 iibsrgonQrieng.asm EPRom |INNADDDSUBB A,#01HANDI) A, #33HORK A,

24、 #22HCPLL AOUTT机器执行后，结果为CCH功能实现转移1.在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序LO: MOVV A,#01LOOP:SUBB A,#01JCC LOOPJZZ LOOPJMPP LOENDD凋试窗口 iingongriengE | EPRom |LO-： MOW A, #01LOOP: SUBB A, #01JCC LOOPJZZ LOOPJMFP LOENDD在程序窗口输入以下程序实现功能：带进位的无限循环右移功能：程序思想：将16进制27H无线循环带进位右移，先将数存到 A中在存到R2中，将A右移得到数 存到R1中，判断R2数尾数是否为1,是1将R1转到A加

25、80H存到R1中在存到R2中，是0存到 R2中，跳转循环。MOVV A,#27HLOOP1:MOVV R2,ARRCC AMOVV R1,AOUTTMOVV A,R2ANDD A,#01HJZZ LOOP2:CALLL INCALOOP2:MOVV A,R1OUTTJMPP LOOP1INCA:MOVV A,R1ADDD A,#80H| EPRom |RETT调试窗口 jiberigongneng.asmMOW A,#27iTLOOP1:MOW K23 ARRCC AMOW Rl, AOUTTMOWANDDJZZ L：uF2:CALLL INCALOOP2: MOW A, ElOUTTJMPP LOOP1INCA： MOW A,R1ADDD A, #SOHRETT4总结4.1设计体会在做这次实验之前，通过深入的预习，理解了实验原理、明确了实验的目的，按部就班地连线，逐步完成了实验的要求。在实验过程中，我认真进行实验操作和思考实验有关的内容，把自己不太明白的问题通过实验理解清楚，取得了较好的实验结果。通过这次实验懂得了基本模型机设计与实现的基本操作，加深了对书本知识的认识。通过CPU运行机器指令组成的简单程序，掌