计算机组成原理课程设计报告基本模型机的设计加减法指令的实现

1、武汉理工大学计算机组成原理课程设计报告说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 计算机 指导教师： 工作单位：计算机科学与技术学院题 目: 基本模型机的设计加减法指令的实现初始条件： 理论：学完“电工电子学”、“数字逻辑”和“计算机组成原理”课程，掌握计算机组成原理实验平台的使用。 实践：计算机学院科学系实验中心提供计算机、实验的软件、硬件平台，在实验中心硬件平台验证设计结果。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、基本模型机系统分析与设计，利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念。2、根据课程

2、设计题目的要求，编制实验所需的程序，上机测试并分析所设计的程序。3、课程设计的书写报告应包括： （1）课程设计的题目。 （2）设计的目的及设计原理。 （3）根据设计要求给出模型机的逻辑框图。 （4）设计指令系统，并分析指令格式。 （5）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）。 （6）模型机当中时序的设计安排。 （7）设计指令执行流程。 （8）给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序。 （9）说明在使用软件hkcpt的联机方式与脱机方式的实现过程（包括编制程序中加减法指令的时序分析，累加器a和有关寄存器、存储器的数据变化以及数据流程）。

3、 （10）课程设计总结（设计的特点、不足、收获与体会）。时间安排： 周一：熟悉相关资料。 周二：系统分析,设计程序。 周三、四：编程并上实验平台调试 周五：撰写课程设计报告。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名：年 月 日加减法指令的实现一、 设计目的与原理1、 实验目的本实验，通过掌握各个单元模块的工作原理，进一步将其组成完整的系统，构造成1台基本的模型计算机。并通过这台模型计算机，对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。在本试验中，我们将规划读写内存、寄存器、数值计算等功能，并且编写相应的

4、微程序。具体上机调试各个模块单元以进一步掌握整机的概念。2、 实验原理在本设计中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。在各个模块实验中，各模块的控制信号都是由实验者手动模拟产生的。而在真正的实验系统中，模型机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能。计算机从内存取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令和与之相匹配的序列来完成，即1条机器指令对应一个微程序。二、总体设计1. 模型机逻辑框图简单的模型计算机由算术逻辑运算单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。下图为较典型的实验计算机整体逻辑框图：2、指令系统与指令格式实验平台内采用的

5、是8位数据总线和8位地址总线方式，设计指令系统时，主要考虑的是指令的类型，寻址方式和编码方式。指令类型包括算术/逻辑运算类指令、移位操作类指令（带进位或不带进位）、数据传送类指令、程序跳转指令（有条件或无条件）、存储器操作类指令等。寻址方式包括直接地址寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、立即数寻址等。指令格式的设定一般与机器的字长、存储器的容量以及指令的功能有关。主要包括操作码字段和地址码字段。本实验中操作码为8位，数据的传送单位为8位。3、 微程序的设计及其实现方法3.1微指令格式设计 微指令长24位，本阶段的设计任务是决定24位长的微指令是否分段定义，以及确定各段段长、决定各码位含义和有

6、效性等。由于模型机指令系统规模较小，功能也不太复杂，所以采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。因为在本设计平台的硬件设计中，微指令长24位，所以最多有24位微操作控制信号可由微码直接实现。本实验计算机24位长的微指令，对应信号分别为：s0、s1、s2、s3、m、cn、aul-o、edr2、edr1、ra-o、era、x1、x0、halt、wr、rr、elp、pc-o、ir2-o、eir2、eir1、rm、wm、mld。3.2微程序入口地址及后续微地址当微指令格式确定后，就需要确定后续微指令地址。通常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。微指令由rom读出后直接给出下一

7、条微指令的地址，这个地址就放在微地址寄存器中。当微程序出现分支时，通过地址转移逻辑去修改微地址寄存器内容，并按修改好的微地址读出下条微指令。在模型机中，微程序入口地址的确定采用“按操作法散转”方法，即用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址md0md7。（如下表所示）微程序首地址形成md7md6md5md4md3md2md1md000i7i6i5i411按操作码散转指令操作码微程序首地址md7、md6i7i6i5i4md1、md0md7md0000001003h000011007h00010100bh00011100fh001001013h001011017h00110101bh

8、00111101fh010001023h010011027h01010102bh01011102fh011001033h011011037h01110103bh01111103fh在00h放置了一条取址指令，当实验平台开始运行时，微地址从00h开始运行，根据程序开始地址从内存中读出第一条指令。微指令的运行顺序采用计数增量方法，下一条微指令的地址确定方法，是通过上一条微指令执行后微地址自动加一得到的。例如：确定了一条程序的微程序入口地址为17h，那么当执行完17h这条微指令后，微地址加1，指向18h微地址。4、 时序的设计安排时序模块由监控单元产生一个pls-o的信号来控制时序产生。pls-o信

9、号经过时序单元的处理产生4个脉冲信号。4个脉冲信号组成一个微周期，为不同的寄存器提供工作脉冲。pls1：微地址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首地址及微地址加1.pls2：pc计数器的工作脉冲，根据微指令的控制实现pc计数器加1和重置pc计数器（跳转指令）等功能。pls3：把24位微指令打入3片微指令锁存器。pls4：把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器中。signpls1pls2pls3pls45、 指令执行流程根据模型机整机逻辑图和目前硬件条件来设计指令系统中每条指令的执行流程。下面根据本实验编制的源程序来说明执行流程：（1） mov a，#55h指令功能为：55h-a,需执行如下操

10、作：（pc）+1-pc ;pc加1，为取本指令下一字节做准备（ram）-odb-idb-a ;取出本指令第二字节（即55h）送a（pc）+1-pc ;pc加1，为取下条指令字节做准备（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器ir1。（2） mov r0，#66；指令功能为:66h-r0,需执行如下微操作：（pc）+1-pc ;pc加1，为取本指令下一字节准备（ram）-odb-idb-r0 ;取出本指令第二字节（即66h）送r0（pc）+1-pc ;pc加1，为取下条指令字节做准备（pc）-iab-oa

11、b ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器ir1。（3） add a，r0；指令功能为：（a）+（r0）- a ,需执行如下微操作：（pc）+1- pc ;pc加1，为取本指令下一字节准备（a）- dr1 ;累加器a内容送alu（r0）- dr2 ;寄存器r0内容送alu（a）+（r0）-idb-a ;使alu执行加法，结果经idb最后送入累加器acn+4 -cy ;根据加法结果置进位标志cy（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器

12、ir1。（4） mov r1，#33；指令功能为:66h-r0,需执行如下微操作：（pc）+1-pc ;pc加1，为取本指令下一字节准备（ram）-odb-idb-r0 ;取出本指令第二字节（即33h）送r1（pc）+1-pc ;pc加1，为取下条指令字节做准备（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器ir1。（5） suba，r1；指令功能为：（a）-（r1）- a ,需执行如下微操作：（pc）+1- pc ;pc加1，为取本指令下一字节准备（a）- dr1 ;累加器a内容送alu（r1）- dr2

13、;寄存器r0内容送alu（a）-（r0）-idb-a ;使alu执行减法，结果经idb最后送入累加器acn+4 -cy ;根据加法结果置进位标志cy（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器ir1。（6） sta 10指令功能为：（a）-10h ,需执行如下微操作：（pc）+1-pc ;pc加1，为取本指令下一字节准备（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir2 ;取出本指令第二字节（即10h）送ir2（pc）+1- pc ;pc加1，为取下条指令字节做准备

14、（ir2）-iab-oab ;ir2形成新的地址a-odb-idb-（ram） ;将a中的数存入内存中（pc）-iab-oab ;pc计数器内容作访问内存地址（ram）-odb-idb-ir1 ;从内存该地址单元读出指令字节送指令寄存器ir1。（7） halt指令功能为：置模型机于停机状态。设计流程时，保证每条微指令所含的微操作的必要性和合理性。总线iab、idb、oab、odb仅是传输信息的通路，没有寄存信息的功能。三、程序1、源程序编制的源程序如下： mov a,#55 mov r0,#66 add a,r0 mov r1,#33 sub a,r1 sta 10 halt2、程序的指令代码

15、内存地址指令助记符指令码或立即数说明00hmov a,#555fh立即数 55ha01h55h02hmov r0,#666ch立即数66h寄存器r003h66h04hadd a,r00cha内容+r0内容a05hmov r1,#336dh立即数33h寄存器r106h33h07hsub a,r11dha内容-r1内容a08hsta 108fh将a内容写入ram地址10h09h10h0ahhaltffh停机3、微程序微单步运行过程如下：微地址数据流程数据总线地址总线操作寄存器00h取址微指令 rambusir15fh00hir1=5fhmov a,#5517hbusa55h01ha=55h18h取

16、址微指令 rambusir16ch02hir1=6chmov r0,#661bhram寄存器r066h03h寄存器r0=66h1ch取址微指令 rambusir10ch04hir1=0chadd a,r003ha锁存器dr055h无效dr1=55h04h寄存器r0锁存器dr266h无效dr2=66h05haluabbh无效a=bbh06h取址微指令 rambusir16dh05hir1=6dhmov r1,#331bhram寄存器r133h06h寄存器r1=33h1ch取址微指令 rambusir11dh07hir1=1dhsub a,r107ha锁存器dr1bbh无效dr1=bbh08h寄存

17、器r1锁存器dr233h无效dr2=33h09halua88h无效a=88h0ah取址微指令 rambusir18fh08hir1=8fhsta 1023hrambusir210h09hir2=10h24ha ram（10h）88h10hram(10)=88h25h取址微指令 rambusir1ffh0ahir1=ffhhalt3fh置模型机为停止状态无效无效置停止状态四、实现过程1、 联机方式启动软件后，在代码窗口输入源程序，单步运行，微单步运行。观察记录的微指令序列如下:地址指令序列微地址微指令序列说明00mov a, #5500h4dffff取指指令17hddfbffdbus-a02mo

18、v r0, #6618h4dffff取指指令1bhddbfffdbus-a04add a, r01ch4dffff取指指令03hfffcf9adbusdr104hff7f79ridbusdr205hfffca9aludbusa05mov r1#3306h4dffff取指指令1bhddbfffdbusri07sub a, r11ch4dffff取指指令07hfffcd6adbusdr108hff7f56ridbusdr209hfffb86aludbusa08sta 100ah4dffff取指指令23hd5ffffdbusir224hbbfdffir2bus,adbusram0ahalt25h4d

19、ffff取指指令3fhffdfff停机加法指令的时序及对应寄存器、累加器、存储器数据、数据流程如下图：减法指令与加法类似，主要图如下：2、脱机方式 将对应上图的指令码表格输入模拟机，按run键进行全程运行。观察结果。加减法时序分析类似，下面主要给出加法指令的时序分析:add a,r0：微周期数据流程节拍数据总线地址总线操作寄存器t0:a锁存器dr1pls1:置微地址pls1:pc+1pls1:取址微指令输出pls1:bus锁存器dr10ch0ch55h55h04h04h无效无效微地址：03hpc=05h锁存微指令dr1=55ht1:寄存器r0锁存器dr2pls1:微地址+1pls1:pc不变pls1:微指令输出pls1:bus锁存器dr255h55h66h66h无效无效无效无效微地址：04hpc=05h锁存微指令dr2=66ht2:aluapls1: 微地址+1pls1: pc不变pls1: