计算机组成原理课程设计报告6085950359

1、 计算机学院计算机科学与技术专业 计算机组成课程设计报告 （2010/2011学年 第一学期）学生姓名： 学生班级： 学生学号： 指导教师： 年 月 日目录1 课程设计需求分析31.1 课程设计目的与要求31.2 课程设计内容31.3 实验器材描述41.4 存储器划分41.5 指令译码电路分析51.6 寄存器译码电路分析61.7 时序分析81.8 微指令格式分析82 总体设计112.1 数据格式112.2 机器指令描述112.3 机器指令设计123 详细设计133.1 控制台指令133.2 单条指令的详细设计163.3 微程序流程图设计234 编码实现245 设计测试256 实验心得体会26附

2、录一：27附录二：28参考文献：291 课程设计需求分析1.1 课程设计目的与要求本课程设计是计算机科学与技术专业重要的实践性教学环节之一，是在学生学习完计算机组成原理课程后进行的一次全面的综合设计。目的是通过一个完整的8位指令系统结构（isa）的设计和实现，加深对计算机组成原理课程内容的理解，建立起整机系统的概念，掌握计算机设计的基本方法，培养学生科学的工作作风和分析、解决实际问题的工作能力。要求学生综合运用计算机组成原理、数字逻辑和汇编语言等相关课程的知识，理解和熟悉计算机系统的组成原理，掌握计算机主要功能部件的工作原理和设计方法，掌握指令系统结构设计的一般方法，掌握并运用微程序设计（mi

3、croprogramming）思想，在设计过程中能够发现、分析和解决各种问题，自行设计自己的指令系统结构（isa）。1.2 课程设计内容基于tdn-cm+计算机组成原理实验教学系统，设计和实现一个8位指令系统结构（isa），通过调试和运行，使设计的计算机系统能够完成指定的功能。设计过程中要求考虑到以下各方面的问题：1、指令系统风格（寄存器-寄存器，寄存器-存储器，存储器-存储器）；2、数据类型（无符号数，有符号数，整型，浮点型）；3、存储器划分（指令，数据）；4、寻址方式（立即数寻址，寄存器寻址，直接寻址等）；5、指令格式（单字节，双字节，多字节）；6、指令功能类别（算术逻辑运算，存储器访问，

4、寄存器操作，程序流控制，输入输出）；1.3 实验器材描述硬件：tdncn+计算机组成原理实验教学系统, 具备支持开放式实验教学方法的结构特点。表1-1 tdncn+教学系统明细表电路名称主要电路内容运算器单元（alu unit）运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部总线计数器与地址寄存器单元（address unit）地址寄存器、程序地址计数器微控器单元（micro controller unit）指令寄存器、指令译码器、微指令控制寄存器及其编程器、逻辑译码单元、时序电路主存单元（main mem）sram6116输入设备、输出设备（input device& output d

5、evice）开关、显示灯、控制台（读写、启动、停机）cpld单元1片isp lsi1032 cpld芯片接口实验板（系统附件）intel 8253、8255、8259接口芯片各一片逻辑信号测量单元两路逻辑信号pc 示波器单片机控制单元控制单片机、rs-232c串口等电源采用高效开关单元、输出为5v/2a、±12v/0.2a1.4 存储器划分存储区大小为256个存储单元，分配给代码区27=128个存储单元，数据区为27=128个存储单元图1.1存储器划分表1.5 指令译码电路分析图1.2 指令译码电路根据指令译码电路以及寄存器译码电路，得出以下结论：p(1) p(4)为低电平有效，当选

6、用时该信号为零；i7 i2表示机器指令前六位；se5 se1表示能够强置改变入口地址的后五位。由于在设计过程中选择p(1)有效，因此对此表达式进行深入分析之后可以得知：虽然从图中可以看出输入为i2-i7，可是i2与i3并没有对结果se1se5造成影响，则影响指令跳转的只有i4i7，即指令后四位。1.6 寄存器译码电路分析图1.3 寄存器译码电路从以上的寄存器译码电路中可以直观地看出：寄存器的输入输出不仅仅由几个片选端决定，而且还受到i0i3（指令低四位）的影响。以下分寄存器输入与寄存器输出两方面阐述:(1)寄存器输入分析寄存器的输入端为ldr0、ldr1与ldr2，分别对应寄存器r0、r1与r

7、2，它们由三个输入端ldri、i0与i1控制，并且这三个输入端通过一个2-4进制译码器对寄存器的输入进行选择，具体输入选择可见于下表：表1-2 寄存器输入选端表ldrii1i0选端有效（0）00ldr0有效（0）01ldr1有效（0）10ldr2有效（0）11无效选端（2）寄存器输出分析寄存器的输出端为r0-b、r1-b与r2-b，分别对应于寄存器r0、r1与r2，从图中可以看出rd-b、rs-b、ri-b、i0i3控制着寄存器的输出操作的选择，输出操作也是通过2-4进制译码器来实现的，其中rd-b、rs-b与ri-b是片选端，通过i0i3的不同取值来控制寄存器的不同输出，来实现寄存器在输出方

8、面的多样性与灵活性。具体对应关系可以参见下表：表1-3 寄存器输出选端表片选端选择i1i0选端i3i2选端rd-b00r0-b00无效01r1-b01无效10r2-b10无效11无效11无效rs-b00无效00r0-b01无效01r1-b10无效10r2-b11无效11无效ri-bxxr2-bxxr2-b1.7 时序分析图1.4 时序图t1、t2、t3、t4为节拍控制端，本设计用了t4节拍控制端，当指令通过译码器p（1）时，p（1）对操作码进行测试，通过节拍脉冲t4的控制，以便识别所要求的操作。ts1时进行微程序控制器控制，ts2时进行微指令寄存器控制，ts时控制ldir、ldar，ts4时对

9、p（1）、p（2）、p（3）、p（4）、ar、lopc、ldri、lddr1、lddr2进行控制。1.8 微指令格式分析微指令格式如下：表1-4 微指令格式表242322212019181716151413121110987654321s3s2s1s0mcnwea9a8abcua5ua4ua3ua2ua1ua0每个字段的详细分析如下：（1） 字段2419控制运算器的控制端，通过改变s3cn来决定对数据进行何种算术或逻辑运算。本设计中全部为正逻辑运算。表1-5 算术/逻辑运算选端选端算术运算逻辑运算无进位有进位m001cn10x（2）字段18为控制对主存w/r的开关we称之为写线，当we=0时，

10、对主存进行读操作；当we=1时，对主存进行写操作。另外：其写时间与t3脉冲宽度一致。（3）a9、a8字段是通过一个2-4进制译码器控制着输出，通过对a9与a8的不同选择来实现对y0、y1与y2的不同选择，具体对应关系如下图所示：表1-6 a9、a8字段选择表a9a8选端操作选端说明00y0选中sw-binput unit的开关01y1选中cemain men 的控制片选开关10y2选中led-boutput unit 的开关11无效选端无操作（4）字段157为a、b、c三个开关控制端。a字段表1-7 a字段选择表151413控制开关功能说明001lddri控制寄存器ri的写入010lddr1暂

11、存器dr1的控制开关011lddr2暂存器dr2的控制开关100ldir指令寄存器ir的控制开关101load非自动输入的数据装载入pc计数器的控制开关110ldar地址寄存器ar的控制开关000null空操作b字段表1-8 b字段选择表121110控制开关功能说明000null空操作001rs-b寄存器r0、r1、r2的输出开关010rd-b寄存器r0、r1、r2的输出开关011ri-b寄存器r0、r1、r2的输出开关100alu-b运算器alu的输出开关101pc-bpc计数器的输出开关110299-b74299片的控制端c字段表1-9 c字段选择表987控制开关功能说明001p(1)指令

12、译码器中的p(1)为低电平有效010p(2)指令译码器中的p(2)为低电平有效011p(3)指令译码器中的p(3)为低电平有效100p(4)指令译码器中的p(4)为低电平有效101ldpc将自动输入的数据加1后输入到pc计数器中的控制开关110ar本设计不涉及000null空操作（5）字段61为该条微程序的八位二进制后继地址，其决定顺序执行哪条微程序。2 总体设计2.1 数据格式本设计中所有需要处理的数据全部采用定点无符号整数表示，8个bit位，格式如下：表2-1 数据格式表示76543210数值数据的范围是028，即0255。2.2 机器指令描述 表2-2 指令助记符表指令助记符指令功能说明

13、指令风格指令格式寻址方式in r0从input device输入数据至r0单字节 move r1,r0r0r1寄存器寄存器单字节寄存器寻址add r0r0+addrr0寄存器存储器双字节寄存器、直接寻址and r1,r0r0·r1r1寄存器寄存器单字节寄存器寻址sta addrr1addr双字节寄存器寻址out addraddrled双字节直接寻址jmp addraddrpc双字节stp停止2.3 机器指令设计对于指令的设计可以分作两部分完成，第一部分是指令的高四位，另外的则是指令的低四位部分。（1）通过前面对于指令译码电路的分析可以得知：指令的高四位（i7i4）控制指令的跳转，通过

14、输入一组i7i4的值，通过指令译码电路的处理可以得出一组se1se5的具体值，这五位是低电平有效，因此当sei为低电平时，就会对指令跳转的下一跳的地址进行重新置位，从而实现对于指令跳转流程的控制，具体跳转对应关系如下表所示： 表2-3指令跳转表指令名称跳转起始i7 i6 i5 i4se4 se3 se2 se1跳转位置in r010(001000) 0 0 0 0 1 1 1 110(001000)move r1,r010(001000) 0 0 0 1 1 1 1 011(001001)add r010(001000) 0 0 1 0 1 1 0 112(001010)and r1,r010

15、(001000) 0 0 1 1 1 1 0 013(001011)sta addr10(001000) 0 1 0 0 1 0 1 114(001100)out addr10(001000) 0 1 0 1 1 0 1 015(001101)jmp addr10(001000) 0 1 1 0 1 0 0 116(001110)stp10(001000) 0 1 1 1 1 0 0 017(001111)（2）第二步进入到对于指令低四位的设计阶段，通过前面对于寄存器译码电路的分析可以得知：指令的低四位决定寄存器的操作（包括输入与输出），通过对于三个片选端的设置与指令低四位（i3-i0）的选择

16、，可是实现多种的寄存器的操作，具体实现见于如下表：表2-4寄存器操作对照表指令名称涉及的寄存器操作 i3 i2 i1 i0in r0 swr0 x x 0 0move r1,r0 r0r1 0 0 0 1add r0 r0dr1;dr1+dr2r0 0 0 0 0and r1,r0r0dr1；r1dr2；（dr1）· (dr2)r1 0 0 0 1 sta addr r1bus 0 1 x xout addr 无 x x x x jmp addr 无 x x x x stp 无 x x x x 综上所述，可以得出每条指令完整的机器指令，如下表所示： 表2-5 机器指令对照表助记符机器

17、指令码 功能说明in r00 0 0 0 x x 0 0从input device中输入数据至r0move r1,r00 0 0 1 0 0 0 1 r0r1add r00 0 1 0 0 0 0 0 r0+addrr0and r1,r00 0 1 1 0 0 0 1 r0·r1r1sta addr0 1 0 0 0 1 x x r1addrout addr0 1 0 1 x x x x addrledjmp addr0 1 1 0 x x x x addrpcstp0 1 1 1 x x x x 3 详细设计3.1控制台指令通过控制台开始进行机器指令的读写和执行，此处将00的后继地

18、址设为20（即010000）。此时只有p(4)有效，即p(4)=0,p(1)=p(2)=p(3)=1。图3.1 控制台设计强置改变有一个特点，当sei为1时无效，不能改变；只有sei为0时，才能对该位上的数进行改变；但只能由0变成1，而不能逆转。1. 强置写指令当进行机器指令写入时，将swb,swa置成01状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址。se5=1se4=1se3=1se2=1se1=0se5se2均无效，只有se1有效，即可得出010000改变为010010，即强置写的入口地址为21。2. 强制读指令当进行机器指令写入时，将swb,swa置成00状态，通过指令译码器的逻辑表

19、达式即可算出入口地址。se5=1se4=1se3=1se2=1se1=1se5se1均无效，不能对 010000进行改变，即强置写的入口地址为20。3. 程序执行指令当进行机器指令写入时，将swb,swa置成11状态，通过指令译码器的逻辑表达式即可算出入口地址。se5=1se4=1se3=1se2=0se1=0se5se3均无效，se2和se1有效，即可得出010000改变为010011，即强置写的入口地址为23。综上所述，可以得到控制台程序的执行流程图如下：控制台p(4)rcarpc+1pcarpc+1dr1leddr1ramrambusbusdr1swbusbusdr1图3.2 控制台设计

20、图3.2 单条指令的详细设计（1）公操作表3-1 公操作设计表000000011110110110xxxxxxalu作加1操作不读写ldar有效，pc->arpc->busldpc有效000000001100000001alu作加1操作读主存ldir有效，将指令写入指令寄存器p(1)有效备注：此流程为公操作，每条指令执行公操作可以将指令的操作码取出，实现跳转等等操作，在取操作码过程中，首先将操作码的地址从pc（程序计数器）中取出，从主存对应位置找到操作码放到ir（指令寄存器）中，从而实现取指操作，并且令选择字段为p(1)有效，实现之后的跳转。（2）in指令表3-2 in指令设计表p

21、(1)swr0备注：此流程为in操作，主要实现从input deice中输入一个数据，使得该数据进入寄存器r0中，在实现这个操作的过程中需要用到寄存器译码电路，由前面的电路分析可知，ldri控制所有寄存器的输入，因此必须使得a字段为ldri。000000000001000000xxxxxxalu作加1运算ce有效ldri有效无效选端无效选端（3）move指令表3-3move指令设计表p(1)r0busbusr1备注：此流程为move指令，主要实现两个寄存器之间的数据传送，在此条指令中实现的是从r0到r1的数据传送，由寄存器译码电路可知需要打开r0的输出门r0-b与r1的输入门ldr1，由前面的

22、寄存器译码电路对照表可得如下字段值。000000011001001000xxxxxxalu作加1操作不读写ldri有效rs-b有效无效选端（4）add指令表3-4add指令设计表p(1)pcarpc+1rambusbusarrambusbusdr2r0dr1(dr1)+(dr2) r0备注：此流程为add运算的指令过程，这条指令实现了两个操作数的加法运算，此条指令时寄存器-存储器风格，则两个操作数一个来自主存，另外一个来自寄存器，取自主存的那个操作数需要给出一个地址，通过直接寻址来找到操作码。000000011110110110xxxxxxalu作加1操作不读写ldar有效pc-b有效ldpc

23、有效 000000001110000000xxxxxxalu作加1操作读取主存ldar有效无效选端无效选端000000001011000000xxxxxxalu作加1操作读取主存lddr2有效无效选端无效选端000000011010001000xxxxxxalu作加1操作不读写lddr1有效rs-b有效无效选端100101011001101000xxxxxxalu进行与运算不读写ldri有效alu-b有效无效选端（5）and指令表3-5 and指令设计表p(1)r0dr1(dr1)·(dr2) r0r1dr2备注：此流程为and指令执行过程，目的是为了实现两个操作数的与运算，此条指令

24、是寄存器-寄存器风格，因此两个操作数都来自寄存器，由前面的寄存器译码电路的分析可得到相应字段的值，另外从指令流程长短上可以看出寄存器-寄存器风格的指令比较精简，执行速度很快。000000011010001000xxxxxxalu作加1操作不读写lddr1有效pc-b有效无效选端000000011011010000xxxxxxalu作加1操作不读写lddr2有效rd-b有效无效选端101110011001101000xxxxxxalu作加法运算不读写ldri有效alu-b有效无效选端（6）sta指令表3-6 sta指令设计表pcarrc+1p(1)r0busbusramrambusbusar备注

25、：此流程为sta指令的执行过程。主要实现将寄存器r1中的数保存在主存中的某个地址下，因此在使用中需要在指令之后加一个地址作为地址码。000000011110110110xxxxxxalu作加1操作不读写ldar有效pc-b有效ldpc有效000000001110000000xxxxxxalu作加1操作读取主存ldar有效无效选端无效选端000000101000001000xxxxxxalu作加1操作写入主存无效选端rs-b有效无效选端（7）out指令表3-7 out指令设计表p(1)pcarpc+1rambusbusarrambusbusdr1dr1led备注：此流程为out指令的执行过程。主

26、要实现将某个地址下的数据显示在led灯上，和sta指令的使用方法一样，out是一个双字节指令，需要给一个主存地址作为地址码。000000011110110110xxxxxxalu作加1操作不读写ldar有效pc-b有效ldpc有效000000001110000000xxxxxxalu作加1操作读取主存ldar有效无效选端无效选端000000001010000000xxxxxxalu作加1操作读取主存lddr1有效无效选端无效选端000001110000101000xxxxxx输出到dr1led无效选端alu-b有效无效选端（8）jmp指令表3-8jmp指令设计表p(1)pcarpc+1ramb

27、usbuspc备注：此流程为jmp指令的执行过程。主要实现程序的流程控制，原理是在pc中送入一个想要跳转的地址，在取得pc中的地址之后就可以跳转到该处实现跳转。000000011110110110xxxxxxalu作加1操作不读写ldar有效pc-b有效ldpc有效000000001101000110xxxxxxalu作加1操作读取主存load有效无效选端ldpc有效(9)stop指令表3-9stop指令设计表p(1)备注：此流程为stop指令的执行过程。主要实现程序的停止，原理是使程序的指令指向本条指令，所以程序停止运行。000000011000000000xxxxxxalu作加1操作不读写

28、无效选端无效选端无效选端3.3微程序流程图设计图3.3 程序流程图4 编码实现表4-1 微指令代码表微地址s3s0 m cnwe a9 a8 a b cua5ua000000000011000000100010000 01000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000111000000000010004000000001011000000000101050000000110100010000001100610010101100110100000000107000000011011010000011101100000000

29、000010000000000011100000001100100100000000112000000011110110110000011130000000110100010000001111400000001111011011001010115000000011110110110011001160000000111101101100111001700000001100000000000111120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000

30、001240000000000100000000110002500000000111000000001011026000000101000001000000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000001110000000011010320000000010100000000110113300000111000010100000000134000000001101000110000001351011100110011010000000015 设计测试表5-1 测试程序表地址内容助记符说明0000 0000000

31、0 0000in“iuput device”r00000 00010001 0001mover0r10000 00100010 0000addodhr0+odh r00000 00110000 11010000 01000011 0001andr0·r1r10000 01010100 0100staofhr1oeh0000 01100000 11100000 01110101 0000outofhoeh led0000 10000000 11100000 10010110 0000jmpoahobhpc0000 10100000 10110000 10110111 0000stop0

32、000 11000000 11010000 0001自定0000 11106 实验心得体会通过这一次的课程设计，我的动手能力和实践经验有了一定程度的提高。在调试的过程中，通过排除故障，自己找寻出错原因，不仅学会了如何判断问题的所在原因，也让我更加喜欢自己解决问题。这次试验使我学到了不少，增长了许多经验，而这些是书上学不到的。平常我们只是在头脑中去抽象地记忆、理解那些课本上的理论知识。有的理论知识很好懂，甚至只是靠自己死记硬背，甚至只是靠自己的死记硬背。那样的记忆很容易被人遗忘。这一次的课程设计给了我们一个在实践中灵活运用知识的机会，我们也通过在实践中发现问题，进而去找寻相关的知识去解决问题，从

33、而巩固了理论知识。而许多不清楚不理解的地方，在组长的耐心解说帮助下，终于解决。这次课程设计使我受益匪浅。附录一：数据通路图附录二：实验连线图参考文献：计算机组成原理: 实验指导书. （太原科技大学） 薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿

34、蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇

35、蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂虿蕿肂肈芆蚁袅羄芅螃肀莃芄薃袃艿芃蚅腿膅节螇羁肁芁袀螄荿芀蕿羀芅莀蚂螃膁荿螄羈肇莈蒄螁肃莇蚆肆莂莆螈衿芈莅袁肅膄莄薀袇肀莄蚃肃羆蒃螅袆芄蒂蒄肁膀蒁薇袄膆蒀蝿腿肂葿袁羂莁蒈薁螅芇蒈蚃羁膃蒇螆螃聿薆蒅罿羅薅薈螂芄薄蚀羇芀薃袂螀膆薂薂肅肁薂蚄袈莀薁螇肄芆薀衿袇膂