计算机组成原理课程设计有带进位加法和立即数寻址方式的模型机

1、目录摘要- 2 -第一章题目与要求- 3 -1.1课程设计题目- 3 -1.2 课程设计目的- 3 -1.3 课程设计要求- 3 -1.4 设计目标- 3 -第二章准备知识和实验设备- 4 -2.1 准备知识- 4 -2.2 实验装置- 6 -第三章模型机的设计骤- 7 -3.1确定设计目标- 7 -3.2确定指令系统- 7 -3.3确定总体结构- 7 -3.4设计指令执行流程- 7 -确定微程序地址- 7 -微指令代码化- 8 -编写工作程序并代码化- 8 -联机操作文件的建立- 9 -连接实验线路- 9 -3.5调试- 10 -第四章实验步骤- 11 -4.1程序的内存映象- 11 -4.

2、2流程图- 12 -4.3微程序- 12 -4.4程序分析：- 13 -第五章设计总结- 15 -谢辞- 16 -参考文献- 17 -摘要在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍迹了千家万户，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 使设计越来越受到人们的重视，通过设计。可以设计出更好更新的科技产品，这将给科技的发展带来很好的积极作用，也使科技的水平得到一定的高。此次课程设计的目的是从硬件的角度学习计算机的工作

3、过程，掌握计算机最基本的工作原理。为培养在计算机硬件系统的分析、研究、开发等方面的能力打下坚实的基础。了解硬件在计算机系统中的地位，以硬件为核心，叠加不同层次的软件，构成一个计算机系统。通过对一个简单计算机的设计，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与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。为今后的科研打下扎实的基础。第一章题目与要求1.1课程设计题目有带进位加法和立即数寻址方式的模型机1.2 课程设计目的通过对一个简单计算机的设计，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与调试等过程有更深的

4、了解，在此基础上完成一台基本计算机的组成设计，从而加深对理论课程的理解，锻炼自己的独立思考和动手能力。1.3 课程设计要求所设计模型计算机的指令系统共包含五条机器指令：IN(输入)、ADC(带进位加法)、OUT(输出)、STA（存数）、JMP（无条件转移），加法指令的寻址方式为立即数寻址。其中IN指令为单字长（8位），其余为双字长指令。使用R0寄存器作为工作寄存器。问题描述本题目设计的是一台具有输入、输出、带进位加法、储存和跳转功能的模型计算机，并写出工作程序和测试数据验证所设计的指令系统。1.4 设计目标在设计完本程序后，所设计模型机能够完成从一个外设输入一个数到指定的寄存器中，另外输入立即

5、数并将其存入另一个、寄存器中，两数进行进位相加并将结果保存到第一个寄存器，输出结果，并显示。另外，实现无条件跳转至开始。指令格式助记符号机器指令码功 能IN0000 0000Input -> R0ADC Imm1110 0000 XXXX XXXXR0+Imm+CY->R0STA addr0010 0000 XXXX XXXXR0 -> addrOUT addr0011 0000 XXXX XXXXaddr -> LEDJMP addr0100 0000 XXXX XXXXaddr -> PC第二章准备知识和实验设备2.1 准备知识（1） 微指令格式微指令字长共2

6、4位，其控制位顺序如下表所示：A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P(1)010LDDR1010RD-B010P(2)011LDDR2011RI-B011P(3)100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU-B101AR110LDAR110PC-B110LDPC表中uA0uA5为6位的下一条微指令的地址,A、B、C为3个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。C字段中的P(1)P(4)是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分

7、支、循环运行，其原理如图2所示。图中I7I2为指令寄存器的72位输出，SE5SE1为微控器单元微地址锁存器的强制端输出。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理图如图3所示，图中I0I3为指令积存器的第03位，LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。（2）指令译码电路图 2-1指令译码电路（3）寄存器译码电路图2-2寄存器译码电路图2-3微程序控制电路2.2 实验装置计算机组成原理THTJZ-2型教

8、学实验系统一台，排线若干。 计算机组成原理控制软件。第三章模型机的设计骤设计一台完整的计算机，大致需按如下的顺序来考虑：3.1确定设计目标确定所设计计算机的功能和用途。3.2确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式，并给出具体的编码，比如指令的操作码，地址码等的位数及各种编码的含义。3.3确定总体结构（寄存器、加法器、选择器的设置与数据通路的设计）总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器是微程序控制还是硬

9、联控制等。综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。3.4设计指令执行流程数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，确定每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。确定微程序地址确定后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。微指令代码化根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化。首先写出每个微地址以及该地址对应的微

10、指令代码（共24位二进制信息），如下表所示：微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0其中：微地址表示控制存储器的地址，后面的24位表示微指令。 然后将每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一

11、行，格式为：$M*，前面2个*表示该微指令的在微控制器中的地址，后面6个 *表示该微指令代码。如上述表中的四条微指令写成：$M00018110：表示在控制存储器地址00h处的代码是018110h。$M0101ED82：表示在控制存储器地址01h处的代码是01ED82h。$M0200C048：表示在控制存储器地址02h处的代码是00C048h。$M0300E004：表示在控制存储器地址03h处的代码是00E004h。编写工作程序并代码化编写测试用的工作程序，并写出内存映像，用二进制表示。然后代码化用16进制来表示，格式为：$P*，前面2个*表示该内存的地址，后面2个*表示该地址的数据。例如： $

12、P0044：表示在内存地址00h处的数据是44h。$P0146：表示在内存地址01h处的数据是46h。联机操作文件的建立为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立的，要求：测试用的工作程序排在文件的前面，每个内存地址及代码占一行；微指令代码排在文件的后面，每个微地址及微指令代码占一行；例如，下面是一个实验的文件(文件名：sample.txt)：$P0044$P0146$P0298$M00018108$M0101ED82$M0200C050连接实验线路根据如图3-1的实验线路图连接实验线路。使用唐都软件将工作程序和微程序下载到

13、实验箱的内存和控制存储器中。其中，自带电源线的实验箱用NCMP53软件，启动软件后使用F4装载进行下载；外接电源线的实验箱用CMPP软件，启动软件后在菜单中选择转储/装载进行下载。图 3-13.5调试在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。可以使用控制台命令SWA、SWB的不同取值，或使用联机软件检查内存程序是否正确，微程序是否正确。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。可以使用单步微指令方式执行工作程序，也可以直接使用连续方式执行程序。在执行过程中，可以通过联机软件的数据通路图查看信息在计算机中的传送路径，更有利于掌握数据的通路结构。这

14、样也可以直接验证程序和微程序的正确性。如果运行结果不正确，需要返回来修改程序或微程序，每次修改后，需要重新完成第10步，将程序和微程序下载到实验箱中。第四章 实验步骤 在测试程序装入内存后，机器自动执行控存中00号的微指令，产生控制台命令，其流程如下（01为取指微指令的地址）：4.1程序的内存映象本设计的工作程序的内存映象(装入起始地址00H)如下：地址(二进制)内容(二进制)助记符说 明十六进制代码0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器00000000 00010001 0000ADD OAH01100000 00100000 1010RO+0AH>R0020A

15、0000 00110010 0000STA 0BH03200000 01000000 1011R0>0BH040B0000 01010011 0000OUT 0BH05300000 01100000 10110BH>LED060B0000 01110100 0000JMP 0107400000 10000000 000101H>PC08010000 10100000 0001输入自定的数据0A014.2流程图本设计的程序流程图如下：4.3微程序微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0（后续地址）十六进制代码0 30 0 0 0 0 0 0 0

16、 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 00300E0040 40 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 10400B0050 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 00501A2060 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 106959A010 90 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 10901ED834.4程序分析：程序思想如下：首先将输入数据送R0寄存器，然后送到ALU单元执行ADD操作，加法

17、完成后将结果再送到R0寄存器，然后STA跳转，将R0寄存器的数据送到0BH，然后送显示器显示，送显后立即JMP指令回到微程序的01步，即继续执行ADD加法，一直循环。微程序中，当A9=0，A8=0时，选中Y0； 当A9=0，A8=1时，选中Y1； 当A9=1，A8=0时，选中Y2； 当A9=1，A8=1时，选中Y3 微指令解释：指令中S3CN为全0表示不执行任何运算操作，A9，A8如开始解释的表示选择外设，均为1表示选中扩展单元（EX UNIT）的Y3，而根据实验接线图可知，Y3表示不做任何操作，A，B，C字段为根据实验线路图中起作用的单元，从09开始A，B，C分别为110，110，110表示

18、LDAR，PC-B，LDPC有效（附录图3），根据数据通路图，即是PC->AR，PC并自动+1，UA5UA0为000011，即下址为下一条微指令地址03H。09执行完后根据下址到达03，其中 A9，A8为01即是选中Y1，Y1与WE相连表示存储器工作，即RAM->BUS->AR，后续地址为04H。04指令中，A，B，C字段分别为011，000，000表示LDDR2有效，即表示将内存中的数据传送到DR2寄存器中，RAM->BUS->DR2，后续地址为05H。05这条指令的A，B，C字段为010，001，000，即是LDDR1，RS-B有效，表示叫R0的数据传送到DR

19、1寄存器中，R0->DR1，后续地址为06H。06指令既为ADD运算，S3CN为100101，A，B，C字段为001，101，000，即LDRi，ALU-B逻辑运算单元有效，执行运算操作，将DR1和DR2中的数据相加，完成后将结果传送到R0，（DR1）+（DR2）->R0。即完成了一次加法操作。ADD指定完成后有JMP跳转到01H。一直循环进行加法运算。微指令代码如下：$M00018110$M0700E00D$M0E00E00F$M15070A01$M0101ED82$M08001001$M0F00A015$M1600D181$M0200C048$M0901ED83$M1001ED

20、92$M17070A10$M0300E004$M0A01ED87$M1101ED94$M18068A11$M0400B005$M0B01ED8E$M1200A017$M0501A206$M0C01ED96$M13018001$M06959A01$M0D028201$M140020181.测试数据：FEH结果为：FE->FF->00->02->03->04->->FF->00->02-> 做循环加法一直循环,每次加1。2.结果分析：ADD执行的是不产生进位的加法，所以实验结果只是每次在原来的数据上加01H。不产生进位加。测试数据中 FF+01后会产生进位，控制信号CN=1，AR=0，把上次运行结果带入下次运算，进位产生的01就自动带入到下次运算中，最后结果为00+01=02。第五章设计总结通过这次课程设计，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与调试等过程有更深的了解，加深了对组成原理理论课程的理解。通过自己对一系列微程序的编写，对程序执行的流程以及指令之间的跳转有了更深的理解，能够根据流程图和机器指令写出相应微程序，对简单模型机里的数据流向图也有了一定的理解，能看懂根据自己编写的微程序在模型机上的一步步流向，对ADD，ADC，BZC，RLC等指令的运用更加熟