计算机组成原理课程设计报告及代码之复杂模型机设计

1、课程设计报告课程名称：计算机组成原理题目名称：复杂模型机设计专业名称：计算机科学与技术班级： 2013240203学生姓名： 李俊同组同学： 丰翔王兆宇学号：指导教师：兰勇完成时间：2016 年 1 月 8 日目录一 、课程设计概述21.1课程设计的教学目的.21.2课程设计任务和基本要求.21.3设计原理 .2二、 规定项目的实验验证22.1设计原理 .22.2操作步骤 .9三、 指定应用项目的设计与实现143.1 设计任务143.2 任务分析以及解决方案14四、 收获和体会154.1我的收获与体会. .15一 、课程设计概述1.1 课程设计的教学目的本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组

2、成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的方法，进一步加深对计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。1.2 课程设计任务和基本要求本课程设计以 TDCMA计算机组成原理教学实验系统为平台完成。1. 按给定的数据格式和指令系统，理解微程序控制器的设计原理。2. 设计给定机器指令系统以及微程序流程图，按微指令格式写出微程序的微指令代码。3. 连接逻辑电路，完成启动、测试、编程、校验和运行，并观测运行过程和结果。4. 将微程序控制器模块与运算器模块、存储器模块联机

3、，组成一台模型计算机。5. 用微程序控制器控制模型机的数据通路。6. 通过在模型机上运行有机器指令组成的简单程序， 掌握机器指令与微指令的关系， 建立计算机的整机概念，掌握计算机的控制机制。7. 按指定应用项目进行汇编指令格式及功能设计， 并设计相应的机器指令代码， 按照模型机数据通路设计实现机器指令功能的微程序。在 PC机上编辑机器指令和微程序，装载代码到 TDCMA实验系统并运行，实现应用要求。1.3 设计原理在部件实验中，我们是人为用二进制开关来模拟一些控制信号完成数据通路的控制。而在本课程设计中，数据通路的控制由微程序控制器来完成。计算机从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令

4、周期全部由微指令的列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。二、规定项目的实验验证2.1 设计原理机器指令格式： $PXXXX 机器指令标志、十六进制地址、机器指令代码微指令格式： $MXXXXXXXX微指令标志、十六进制地址、微指令代码微指令代码格式232221201918-1514-11-8-65-0129M23CNWRRDIOMS3-S0ABCM5-M00进读写ALU下一个地址位CN 代表进位WR 、RD 代表向 MEM 单元写和读IOM 代表向 IN 或 OUT 单元读写S3-S0 代表不同的运算A 指定目的地址B 指定原地址C 代表 P 测试或指定目的地址为 PC 指针M5-M0 代表

5、下一个微指令的地址（一共6 位，所以最大值为3F）WR 、 RD、 IOM 的功能WRRDIOM功能000不涉及 MEM、 IN 和 OUT单元010从 MEM单元读数据011从 IN 单元读数据100向 MEM单元写数据101向 OUT单元写数据S3S0 以及 CN 的功能运算类型S3； S2； S1； S0CN功能逻辑运算0000XF=A0001XF=B0010XF=AB0011XF=A+B0100XF=B移位运算0101XF=A>>B循环移位01100F=A>>11F=A>>101110F=A<<11F=A<<1算数运算1000

6、XFC=CN1001XF=A+B1010XF=A+B+FC1011XF=A-B1100XF=A-11101XF=A+11110X1111XABC 字段以及功能字段内容功能A 字段000NOP目的操作001存入 A数010存入 B011存入寄存器 Ri （ R0R3）101配合 C 字段的 101，代表存入 PC指针110存入地址寄存器 AR111存入指令寄存器 IRB 字段000NOP源操作数001ALU写入总线010RS写入总线011RD写入总线100RI 写入总线110配合 C 字段的 101，代表 PC写入总线C 字段000NOPP 测试001（）P1010P（2）011P（3）101指

7、令涉及 PC寻址模式寻址模式 M有效地址 E说明00E=D直接寻址01E=(D)间接寻址10E=(R2)+DR2 变址寻址11E=(PC)+D相对寻址RS、 RD 的表示RS/RDRI00R001R110R211R3一般 D 表示立即数；P 表示地址复杂模型机数据流图微指令格式如表 3 所示，当微指令格式确定之后，下一步就是确定后续微指令地当微指令格式确定之后，下一步就是确定后续微指令址通常的方法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，这些微地址确定以后，就可以在一个“微地址表”中将分支微地址填入相应的分支微地址单元，避免以后的设计中因重复使用而造成错误，对于其他位置按

8、照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图2 所示，当拟定“取值”微指令时，该微指令的判别测试字段为P(1) 测试，由于取值指令是所有微程序都是用的公用微序，因此P(1) 测试结果出现多路分支，本机使用指令寄存器的前四位(IR7-IR4) 作为测试条件，出现5 路分支，占用5 个固定的微地址单元。控制台操作作为P(4) 测试，它以控制台开关 SWB、SWA作为测试条件，出现了 3 路分支，占用 3 个固定的微地址单元，当分支地址单元固定后，其余每条微指令各占用控存一个微地址单元，随意填写即可。注意：微程序流程图上的单元地址为八进制。指令寄存器 (IR) 用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一

9、条指令时，先把它从内存中取到缓存，然后在传送到指令寄存器中。微程序流程图（用 visio 画的，电子版的可以放大查看，纸质版的另附一张图）当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表4即为将图 2 微程流程图按微指令格式转化得到的“二进制微代码表”。下图为表4：地址16进高 五 S3-S0ABC下一微功能位地址制表示00000001000000000000000000000001NOP01006D43000000000110110101000011PC->AR, PC加 10203107070000100000111000001110000MEM->IR, P<1>

10、04002405000000000010001000000101RS->B0504B201000001001011001000000001A 加 B->RD06002407000000000010001000000111RS->B07013201000000010011001000000001A 与 B->RD08106009000100000110000000001000MEM->AR09183001000110000011000000000001IO->RD0A106010000100000110000000010000MEM->AR0B00534

11、1000000000101001101000001NOP0C103001000100000011000000000001MEM->RD0D200601001000000000011000000001RD->MEM0E005341000000000101001101000001A->PC0F0000CB000000000000000011001011NOP, P<3>10280401001010000000010000000001RS->IO11103001000100000011000000000001MEM->RD120632010000011000

12、11001000000001A-1->RD13002414000000000010010000010100RS->B1405B201000001011011001000000001A 减 B->RD15002416000000000010010000010110RS->B1601B201000000011011001000000001A 或 B->RD171803B201000000111011001000000001A<<1->RD191A1B000001000000000000000000000001A->PC1C10101D00010

13、0000001000000011101MEM->A1D10608C000100000110000010001100MEM->AR, P<2>1E10601F000100000110000000011111MEM->AR1F101020000100000001000000100000MEM->A2010608C000100000110000010001100MEM->AR, P<2>21006D62000000000110110001100010PC->AR,PC+22102023000100000010000000100011MEM-

14、>B23058201000001011000001000000001A-B2425262728101029000100000001000000101001MEM->A2900282A000000000010100000101010RI->B2A04E22B000001001110001000101011A 加 B->AR2B04928C000001001001001010001100A 加 B->A, P<2>2C10102D000100000001000000101101MEM->A2D002C2E00000000001011000010111

15、0PC->B2E04E22F000001001110001000101111A 加 B->AR2F04928C000001011001001010001100A 加 B->A, P<2>30001604000000000001011000000100RD->A31001606000000000001011000000110RD->A32006D48000000000110110101001000PC->AR, PC加 133006D4A000000000110110101001010PC->AR, PC加 13400162100000000

16、0001011000100001RD->A35000035000000000000000000110101NOP36006D51000000000110110101010001PC->AR, PC加 137001612000000000001011000010010RD->A38001613000000000001011000010011RD->A39001615000000000001011000010101RD->A3A001618000000000001011000011000RD->A3B000001000000000000000000000001N

17、OP3C006D5C000000000110110101011100PC->AR, PC加 13D006D5E000000000110110101011110PC->AR, PC加 13E006D68000000000110110101101000PC->AR, PC加 13F006D6C000000000110110101101100PC->AR, PC加 1表 4 二进制微代码表本设计的机器指令程序及相应的汇编程序如下：微指令汇编指令格式ADD RD,RS0000RSRDAND RD,RS0001RSRDIN RD,P0010*RDPOUT P,RS0011RS*P

18、TEST RD,D0100RDDHALT0101LDI RD,D0110*RDDDEC RD0111*RDSUB RD,RS1000RSRDOR RD,RS1001RSRDROL RD1010RD保留LAD M D,RD1100MRDDSTA M D,RS1101MRSJMPMD1110MD指令功能RD+RS->RDRD&RS->RDP->RDRD->PRD-D停机D->RDRD-1RDRD-RS->RDRS|RD->RDRD<<1->RDE->RDRD->EE->PCJNZ M D1111MD当 ZF=0

19、或 CF=0跳转2.2 操作步骤实验连线图1 连线：按实验连线图进行连线。2. 测试：在联机软件 CMA中打开综合性实验的数据通路图，并进行测试3 编写程序：采用联机读 / 写程序按下面规定格式，用联机软件在 CMPP中建立将机器指令及微指令的二进制代码编辑成十六进制的 *.TXT 文档，并用联机软件的转储功能将该格式文件装载到实验系统中。测试程序及微指令代码：; /*/;/; /; /复杂模型机实验指令文件/; /By李俊 丰翔 王兆宇;/; /*/; /* Start Of Main Memory Data */$P 00 21; START: IN R1,00H从 IN 单元读入计数初值

20、$P 01 00$P 02 60; LDI R0,0FH立即数 0FH送 R1$P 03 0F$P 04 11; AND R1,R0得到 R1低四位$P 05 34; OUT R1输出 IN 单元的值$P 06 40;$P 07 62; START: LDI R2,60H读入数据始地址$P 08 60$P 09 CB; LAD R3,RI,04H从 MEM读入数据送R3，变址寻址，偏移量为 04H$P 0A 04$P 0B 3C; OUT R3输出被加数 R3的值$P 0C 40;$P 0D 0D; ADD R1,R3R1+R3->R1$P 0E 34; OUT R1输出加法执行后的结果

21、$P 0F 40;$P 10 C7; LAD R3,67H从 MEM读入数据送 R3，间接寻址$P 11 67$P 12 3C; OUT R3输出被减数 R3的值$P 13 40;$P 14 8D; SUB R1,R3R1-R3->R1$P 15 34; OUT R1输出减法执行后的结果$P 16 40;$P 17 A1; ROL R1R1<<1->R1$P 18 34; OUT R1输出左移一位执行后的结果$P 19 40;$P 1A 34; LOOP: OUT R1循环输出（倒计时功能）$P 1B 40;$P 1C 71; DEC R1$P 1D 41; TEST

22、R1,00相减为 0，表示求和完毕$P 1E 00$P 1F F0; JNZ LOOP直接寻址$P 20 1A$P 21 E0 ; JMP START$P 22 00$P 23 50; HLT停机$P 60 00;数据$P 61 01$P 62 02$P 63 03$P 64 04$P 65 06$P 66 07$P6762 ;间接寻址用到; /* End Of Main Memory Data */; /* Start Of MicroController Data */$M 00 000001; NOP$M 01 006D43; PC->AR, PC加 1$M 03 107070;

23、MEM->IR, P<1>$M 04 002405; RS->B$M 05 04B201; A加 B->RD$M 06 002407; RS->B$M 07 013201; A与 B->RD$M 08 106009; MEM->AR$M 09 183001; IO->RD$M 0A 106010; MEM->AR$M 1B 000001; A->PC$M 0C 103001; MEM->RD$M 0D 200601; RD->MEM$M 0E 005341; A->PC$M 0F 0000CB; NOP, P&

24、lt;3>$M 10 280401; RS->IO$M 11 103001; MEM->RD$M 12 063201 ; A-1->RD 0000 0110 0011 0010 0000 0001$M 13 002414; RS->B$M 14 05B201; A减 B->RD$M 15 002416; RS->B$M 16 01B201; A或 B->RD;$M 17 002418; RS->B$M 18 03B201 ; A<<1->RD 0000 0011 1011 0010 0000 0001$M 0B 00534

25、1; NOP$M 1C 10101D; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2>$M 1E 10601F; MEM->AR$M 1F 101020; MEM->A$M 20 10608C ; MEM->AR, P<2>$M21006D62;$M 22 102023; MEM->B 0001 0000 0010 0000 0010 0011$M 23 058201; A-B 0000 0101 1000 0010 0000 0001$M 28 101029; MEM->A$M 29 00282A; RI

26、->B$M 2A 04E22B; A加 B->AR$M 2B 04928C; A加 B->A, P<2>$M 2C 10102D; MEM->A$M 2D 002C2E; PC->B$M 2E 04E22F; A加 B->AR$M 2F 04928C; A加 B->A, P<2>$M 30 001604; RD->A$M 31 001606; RD->A$M 32 006D48; PC->AR, PC加 1$M 33 006D4A; PC->AR, PC加 1$M 34 001621; RD->A$M 35 000035; NOP$M 36 006D51; PC->AR, PC加 1$M 37 001612; RD->A$M 38 001613; RD->A$M 39 001615; RD->A$M 3A001618; RD->A$M 3B000001; NOP$M 3C 006D5C; PC->AR, PC加 1$M 3D 006D5E; PC->AR, PC加 1$M 3E006D68; PC