计算机组成原理课程设计

1、大连海事大学课程设计报告课程名称：计算机组成原理课程设计 成 员： 刘 袁设计时间：2015年8月31日至9月11日考核记录及成绩评定题目复杂模型机设计实验 完成的主要工作 读懂系统电路图，了解电路的原理和数据通路以及相关部分的关系掌握各被控部件的控制电位与微指令之间的关系自行设计异或、同或等指令 改动部分微指令，实现寄存器间接寻址进行异或运算将寄存器间接寻址用于异或指令 成员分工共同完成：研究了解微指令的设计过程搜集相关资料根据实验指导电路图连接电路, 联机运行累加求和运算排除硬件和程序故障撰写设计报告。刘：寄存器间接寻址袁：异或运算综合评语（设计方案、实践环节、问题解答、设计报告）成绩22

2、2013222013目录一、设计任务与要求11.1 课程设计背景与目的 11.2 应解决的主要问题及应达到的技术 11.3 基本理论依据 11.3.1 数据格式 11.3.2 指令设计 11.3.3 指令格式 21.3.4 指令系统 4二、设计方案 5三、详细设计 103.1 异或 103.2 寄存器间接寻址实现异或 144.1 累加 164.2 异或 174.3 寄存器间接寻址实现异或运算 19五、成员分工及工作情况 22附录1 : 电路原理图 23附录2: 源程序及程序注释 241. 累加 242. 异或 273. 对于 IN 增加的寄存器间接寻址实现异或运算29附录3: 使用元器件一览表

3、 33附录4 ：参考文献 36一、设计任务与要求1.1 课程设计背景与目的计算机组成原理课程设计是计算机科学与技术专业的学生在修完计算机组成原理课程之后，必须完成的实验环节。本课程设计是在完成计算机组成原理分解实验的基础上，来进行模型计算机的整机设计。通过模型机的设计、组装和调试，建立计算机整机的概念，加深对计算机“时空” 概念的理解，掌握设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高应用集成电路的基本技能，培养和提高学生独立工作的能力及分析问题和解决问题的能力。根据此前所学习的有关计算机组成及工作原理的相关知识，利用实验室现有元器件及设备，设计并实现一台模型计算机，并利用实现的指令编程在模型机上运行

4、，对设计工作进行验证。1.2 应解决的主要问题及应达到的技术阅读计算机组成的相关资料，考察现有实验器材，给出模型机设计方案。方案中要以图文结合的方式描述出模型机的整机构成，即该模型机硬件上主要由哪几个部分组成及其互联方式。对模型机各个组成部分具体的硬件构成，功能，操作方式进行详细说明，必要时需给出电路图。说明模型机的数据类型，指令格式，寻址方式，指令系统构成，微指令格式及各条指令的微程序流程。利用实现的指令编写程序，对设计工作进行验证。在组装调试成功的基础上，整理出设计说明书和其它文件。1.3 基本理论依据下面讲述一下模型计算机的数据格式及指令系统。1.3.1 数据格式模型机规定采用定点补码表

5、示法表示数据，字长为8位，8位全用来表示数据（最高位不 表示符号），数值表示范围是：0&X& 28 1。1.3.2 指令设计模型机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有6条运算类指令， 分别为：ADD AND INC、SUB OR RR所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器 直接寻址。控制转移类指令有三条HLT、JMP BZC用以控制程序的分支和转移，其中 HLT 为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT MOV LDI、LAD STA共6条，用

6、以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换， 除MOV旨令为单字节指令外，其余均为双字节指令。1.3.3 指令格式所有单字节指令（ADD AND INC、 SUB OR RR HLT和MOV格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD其中，OP-COD时操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定:RS或 RD选定的寄存器00R001R110R211R3IN和OUT的指令格式为:7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)7-0 (2)OP-CODERSRDP其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-COD的操作码，RS 为源

7、寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见图1-1 （在地址总线单元）。-7 J0 12VB V- V-<1-rL16图1-1 I/O 地址译码原理图由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表1-1所示:表1-1 I/O地址空间分配A7 A6选定地址空间00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11IOY3C0-FF系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、问接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻 址，LAD STA JMP和BZC指令均具备直接、问接、变址和相对寻址能力。LDI的指令格式 如下，第

8、一字节同前一样，第二字节为立即数。表1-2 LDI指令格式7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)7-0OP-CODERSRDdataLAD STA JMP和BZC指令格式如下:表1-3指令格式7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)7-0OP-CODEMRDD其中M为寻址模式，具体见表1-4 ,以R2做为变址寄存器RI表1-4寻址方式寻址模式M启效地址E说明00E = 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1.3.4 指令系统本模型机共有16条基本指令，表1-5列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功

9、能。表1-5指令格式、符号、功能助记符号指令格式指令功能MOV RD,RS0100RSRDRS jRDADD RD,RS0000RSRDRD + RS ->RDSUB RD,RS1000RSRDRD - RS -RDAND RD,RS0001RSRDRD RS >RDOR RD,RS1001RSRDRD RS 5DRR RD,RS1010RSRDRS&环移fDINC RD0111*RDRD+1 >RDLAD M D,RD1100MRDDE RDSTA M D,RS1101MRDDRD fEJMP M D1110M*DE PCBZC M D1111M*D当 FCE FZ

10、=1时，E PCIN RD,P0010*RDPP -RDOUT P,RS0011RS*PRS -TPLDI RD,D0110*RDDD RDHALT0101*停机二、设计方案本模型机的数据通路框图如图2-1所示。图2-1数据通路框图和前面的实验相比，复杂模型机实验指令多，寻址方式多，只用一种测试已不能满足设计要求，为此指令译码电路需要重新设计。如图2-2所示在IR单元的INS_DEg实现图2-2 指令译码原理图本实验中要用到四个通用寄存器 R3-R0,而对寄存器的选择是通过指令的低四位，为此 还得设计一个寄存器译码电路，在IR单元的REG_DECGAL16V8中实现，如图2-3所示。I0LDR

11、iI1RD BY10NA1Y11NB1Y12NA2Y13NB2Y20NG1NY21NG2NY22NY23N7413974139*L?2:4 DECODER3DLDR0LDR1LDR2LDR3R0_BI2I3DGRS BCCVY10NA1Y11NB1Y12NA2Y13NB2Y20NG1NY21NG2NY22NY23NR1_BRI B一R2_BR3 B2:4 DECODER图2-3 寄存器译码原理图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 2-3所示。按照系统建议的微指令格式，见表 2-1 ,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，见表2-2,并将二进制代码表转换

12、为联机操作时的十六进制格式文件。表2-1 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23CNWRRDIOMS3-S0A?段B字段C字段UA5-UA0A字段咛段片段141312选择000NOP001LDA010LDB011LDRi100保留101LOAD110LDAR111LDIR11109选择000NOP001ALU_B010RS_B011RD_B100RI_B101保留110PC_B111保留876选择000NOP001P<1>010P<2>011P<3>100保留101LDPC110保留111保留表2-2 二进制代码表地 址

13、十六进制 表示高五位S3-S0A字段B字段C字段UA5-UA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 70000100000111000001r1100000400 24 050000000000100110000001010504 B2 010000010010110010000000010600 24 07000000000010011000P0001110701 32 010000000100110010000000010810 60 090001000001100000000

14、010010918 30 01000110000011000000P0000010A10 60 100001000001100000000100000B00 00 010000000000000000000000010c10 30 01000100000011000000P0000010D20 06 010010000000000011000000010E00 53 410000000001010011010000010F00 00 CB0000000000000000110010111028 04 01001010000000010000:0000011110 30 010001000000

15、110000000000011206 B2 010000011010110010000000011300 24 140000000000100110000101001405 B2 010000010110110010000000011500 24 160000000000100110000101101601 B2 010000000110110010000000011700 24 180000000000100110000110001802 B2 010000001010110010000000011B00 53 41000000000101001101:0000011C10 10 1D000

16、1000000010000000111011D10 60 8C0001000001100000100011001E10 60 1F00010000011000000010111111F10 10 200001000000010000001000002010 60 8C0001000001100000100011002810 10 2900010000000100000011010012900 28 2A0000000000101000001010102A04 E2 2B0000010011100010001010112B04 92 8C00000100100100101010011002C10

17、 10 2D0001000000010000001011012D00 2C 2E0000000000101100001011102E04 E2 2F00000100111000100011011112F04 92 8C0000010010010010100011003000 16 040000000000010110000001003100 16 060000000000010110000001103200 6D 480000000001101101010010003300 6D 4A0000000001101101010010103400 34 01000000000011010000000

18、0013500 00 3500000000000000000011101013600 6D 510000000001101101010100013700 16 120000000000010110000100103800 16 1300000000000101100010100113900 16 150000000000010110000101013A00 16 170000000000010110000101113B00 00 01000000000000000000r0000013C00 6D 5C0000000001101101010111003D00 6D 5E000000000110

19、1101010111103E00 6D 680000000001101101011010003F00 6D 6C000000000110110101101100地址 内容00000000 0010000000000001 0000000000000010 0110000100000011 0000111100000100 0001010000000101 0110000100000110 0000000000000111 1111000000001000 0001011000001001 0110001000001010 0110000000001011 1100101100001100 00

20、00000000001101 0000110100001110 0111001000001111 0110001100010000 0000000100010001 1000110000010010 1111000000010011 0001011000010100 1110000000010101 0000101100010110 11010001助记符;START: IN R0,00H;LDI R1,0FH;AND R0,R1;LDI R1,00H;BZC RESULT;LDI R2,60H;LOOP: LAD R3,RI,00H;ADD R1,R3;INC RI;LDI R3,01H;S

21、UB R0,R3;BZC RESULT;JMP LOOP;RESULT: STA 70H,R1说明从IN单元读入计数初值立即数0FH送R1得到R0低四位装入和初值00H计数值为0则跳转读入数据始地址从ME峨人数据送R3, 变址寻址，偏移量为00H累加求和变址寄存加1,指向下一数据装入比较值相减为0,表示求和完毕未完则继续和存于MEM勺70H单元根据现有指令，在模型机上实现以下运算：从IN单元读入一个数据，根据 4位值X,求1+2+-+X的累加和，01H至ij 0FH# 15个数据存于60H至U 6EH单元 根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。00010111 01110000和在

22、OUTI元显示00011000 00110100 ; OUT 40H,R100011001010000000001101011100000; JMP START跳转至 START00011011000000000001110001010000; HLT停机01100000 00000001 ; 数据01100001 0000001001100010 0000001101100011 0000010001100100 0000010101100101 0000011001100110 0000011101100111 0000100001101000 0000100101101001 00001

23、01001101010 0000101101101011 0000110001101100 0000110101101101 0000111001101110 00001111三、详细设计3.1 异或表3-1指令描述助记符号指令格式指令功能MOV RD,RS0100RSRDRS RDADD RD,RS0000RSRDRD + RS -IRDSUB RD,RS1000RSRDRD - RS RDAND RD,RS0001RSRDRD RS IRDOR RD,RS1001RSRDRD RS ->RDRR RD,RS1010RSRDRS&环移fDINC RD0111*RDRD+1 IR

24、DLAD M D,RD1100MRDDE RDSTA M D,RS1101MRDDRD 1JMP M D1110M*DE PCBZC M D1111M*D当 FCE FZ=1时，E -PCIN RD,P0010*RDPP "RDOUT P,RS0011RS*PRS |PLDI RD,D0110*RDDD RDHALT0101*停机异或1011RSRDRS RA RDf 巴?欠2 匕r产上变Y2IKisM需>用ISE发言as T 37 堂中更由311天工里y:Lr 修：m学nd 咒自 于吉壬7£昼房人号<7富央一01国工早m八四?县图3-1 微程序流程图空I壬3W

25、aAlsa灵l4y7<君HI2里SIA 京 贤£ 01，停J奥山一SIf自 臭白阳十表3-2二进制代码表地址十六进制表 示高五位S3-S 0A字 段B字 段C 字段UA5-UA00000 00 010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100110000001010504 B2 01000001001011001000：000001 10600 24 070000010000010011000

26、00011110701 32 010000000100110010000000010810 60 090001010000110000000；001001 0918 30 010001110000011 1000000 00000110A10 60 100001000001100000000100000B00 00 01000000000000000000000001 10C10 30 010001010000011 1000000 100000110D20 06 010010000000000011000000010E00 53 410000000001010011010000010F00

27、00 CB000000000000000011 100101111028 04 010010100000000100000000011110 30 010001000000110000000000011206 B2 01000001101011：0010001000001 11300 24 140000000000100110000101001405 B2 010000010110110010000000011500 24 160000000000100110001010110 11601 B2 010000000110110010000000011700 24 180000000000100

28、110000110001802 B2 01000000101011 1001000 1000001 11900 24 1A0000000000100100000110101A02 12 210000001000010010001000011B00 53 41000000000101001101 1000001 11C10 10 1D000100000001 10000000111011D10 60 8c0001000001100000100011001E10 60 1F000100000110000000 1011111 11F10 10 20000100000001 I000000 1000

29、0012010 60 8C0001000001100000100011002101 12 22000000010001001000100010 12200 26 23000000000010011000 1000112300 32 240000000000110010001001002400 14 2500000I 00000010100001001012502 12 26000000100001；001000110011012601 12 270000000100010010001001112700 26 160000000000100110000101102810 10 290001010

30、000001 ：000000 1101001 12900 28 2A0000000000101000001010102A04 E2 2B0000010011100010001010112B04 92 8C00000P1001001 ：001010001100 12C10 10 2D0001000000010000001011012D00 2C 2E0000000000101100001011102E04 E2 2F000001001110001000 1101111 12F04 92 8C0000010010010010100011003000 16 040000000000010110000

31、001003100 16 0600000：0000001011000000110 13200 6D 4800000000011011010100100013300 6D 4A0000000001101101010010103400 34 01000000000011010000000001 13500 00 35000000000000000000 111010113600 6D 510000000001101101010100013700 16 12000000000001011000010010 13800 16 13000000000001 1011000101001113900 16

32、150000000000010110000101013A00 16 170000000000010110000101113B00 16 19000000000001 1011000101100113C00 6D 5c0000000001101101010111003D00 6D 5E0000000001101101010111103E00 6D 6800000000011011010110100013F00 6D 6C000000000110110101101100根据现有指令，在模型机上实现以下运算：从IN单元读入两个数据a,b进行异或运算:b = (?a A b) V (a A ?b),输

33、出显示结果地址 内容00000000 0010000000000001 0000000000000010 0010000100000011 0000000000000100 1011010000000101 0011000000000110 0100000000000111 01010000助记符;START: IN R0,00H;START: IN R0,00H；;OUT 40H,R1;HLT说明从IN单元读入计数初值a从IN单元读入计数初值b异或运算和在OUTI元显示停机3.2 寄存器间接寻址实现异或表3-3指令描述助记符号指令格式指令功能IN RD,P0010*RDP->RD异或1

34、011| RS RDRS RD>RDHALT0101*停机onNOPMEM-MR30T<1>INOUTHLT异或w 32TC->ARFC加11 和 rc->*nFC加1RD-油riiMKARHD->ARTjO->RE口口MEM >RD/a-”21KD->B24R5->A2fiAE->AKO->BAJ岫一加图3-2 微程序流程图地址十六进制局五位S3-S0A字段B字段C字段UA5-UA00000 00 0100000000000000010000000010100 6D 430000000001101101010000110

35、310 70 7000010000011100000111000006110 60 0700010000011000010000001110718 30 080001100000110000000010000800 66 0900000000011001100000100109110 30 0100010000001100010000000010A10 60 100001000001100000000100001028 04 010010100000000100000000011601 B2 01000000011011001 ：0000000011900 24 1A0000000000100

36、100000110101A02 12 210000001000010010001000012101 12 22000000010001001 10001000102200 26 230000000000100110001000112300 32 240000000000110010001001002400 14 2500000000000101000010010125r02 12 26000000100001001 0001001102601 12 270000000100010010001001112700 26 160000000000100110000101103000 16 04000

37、0000000010110000001003200 6D 460000000001101101010001103300 6D 4A0000000001101101010010103500 00 3500000000000000010001101013B00 16 19000000000001011000011001表3-4二进制代码表从IN单元读入两个数据的地址，从主存寻找根据现有指令，在模型机上实现以下运算: 数据，进行异或运算，输出显示结果。地址 内容助记符00000000 00100000 ; START: IN R0,00H00000001 0000000000000010 00100

38、001 ; START: IN R0,00H00000011 000000000000010010110100 ;00000101 00110000 ; OUT 40H,R100000110 0100000000000111 01010000 ; HLT10000000 00000001 ； 数据说明从IN单元读入计数初值a从IN单元读入计数初值b异或运算和在OUTI元显示停机1710000001 00010000数据19四、设计结果及分析4.1累加测试数据：输入数据为02H,输出数据为03H图4-1-1运行截图图4-1-2 运行截图21图4-1-3运行截图4.2异或测试数据：输入数据为01H

39、和02H输出数据为03H图4-2-1运行截图图4-2-2 运行截图图4-2-3 运行截图时!» 科i HUM 记回,«!图4-2-4 运行截图4.3寄存器间接寻址实现异或运算测试数据：输入地址为80H和81H输出数据为03H图4-3-1运行截图图4-3-2运行截图图4-3-3 运行截图图4-3-4运行截图37五、成员分工及工作情况共同完成：1. 研究了解微指令的设计过程2. 搜集相关资料3. 据实验指导电路图连接电路，联机运行累加求和运算4. 除硬件和程序故障5. 撰写设计报告 刘：寄存器间接寻址袁：异或运算附录1:电路原理图T«Vi-甲巾奇B"&quo

40、t;f .-1-on-LJ w1. 累加地址内容000000000101000000000001000000000000001010010001000000110000111100000100010001000000010110010001000001100000000000000111111100000000100000010110000010011001001000001010011000000000101111001011偏移量为 00H0000110000000000000011010011110100001110101000100000111110010011000100000000

41、000100010001100011000001001011110000000100110001011000010100111000000001010100001011000101101110000100010111011100000001100000000100000110010100000000011010111000002: 源程序及程序注释助记符START ： INR0 ，00H说明从 IN 单元读入计数初值LDIR10FH立即数0FH送R1ANDLDIBZCLDIR0R1R100HRESULTR260HLOOP ：LAD R3，RIADDINCLDISUBBZCJMPR1RIR3R0R3累加求和O1HR3RESULTLOOPRESULT ： STA 70H，OUT 40H， R1JMP START得到R0低4位装入和初值00H计数值为 0 则跳转读入数据始地址00H 从MEMt入数据送R3 ,变址寻址,变址寄存加1，指向下一数据装入比较值相减为0，表示求和完毕未完则继续R1和存于MEM： 70H单元和在OUTI元显示跳转至 START00011011 0000000000011100 00100000 ; HLT停机01100000 00000001 ; 数据01100001 00