计算机组织与体系结构课程设计

1、东莞理工学院本科课程设计课程设计题目： 具有访存及循环移位运算功能的复杂模型机的设计学生姓名： 许悦学 号： 200841402113系 别： 计算机学院专业班级： 计算机科学与技术 1 班指导教师姓名： 张丽娟课程设计要求及目的要求：1 综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。2 掌握计算机整机概念。深入理解基本模型计算机的功能、组成方法； 深入学习计算机各类典型指令的执行流程。3 在理解组织计算机体系结构基础上， 能根据给定的程序功能， 学会编 写机器指令代码， 掌握微程序的设计方法， 理解微程序流程图及确定 微地址，将微代码写入控制存储器。4 通过熟悉较完整的计算机的设计

2、， 全面了解并掌握微程序控制方式计 算机的设计方法。目的：具有访存及循环移位运算功能的复杂模型机的设计机器指令程序如下：IN 01,R0 ;( R0)=02HLDA 00,20,R1 ; 将20H存储单元的数据03H送R1ADC R0,R1;(R1)=05HRRC R1,R2;(R1)=05H,(R2)=02H,CY=1OUT 10,R1;05HOUT 10,R2;02HHLT机器指令设计文档编写机器指令$P0044$P0101$P0220$P0391$P04E6$P0559$P065A$P0760$P2003助记符IN 01,R0LDA 00,20,R1ADC R0,R1RRC R1,R2O

3、UT 10,R1OUT 10,R2HLT三、指令系统格式及微程序格式本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令 7条，访问内存指令和程序控制指令 4条，输入输出指令 2条，其它指令1条。表7.2-1列出了各条指令的格式、汇编符号、 指令格式、助记符号和功能。(1)算术逻辑指令7 6 5 斗3 21 0l-CODErsrd设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄 存器直接寻址，其格式如右：其中，OP-CODE为操作码，rs源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：9条算术逻辑指令的名 称、功能和具体格式见表 7.2-1。CLR rdMQVra. rJrdSWCrs rdINCrJAXD r

4、洪 reCOM rdRJ rd 阳 A rd J d- rd卜 钛rJ -EFPC当 CY-I 或 2=1,E亠卩匚3ddi rdd *-RilL)rRS !Srd谨定附奇占器00RO1R110R2HALTDIE 血 (K；（2）访问指令及转移指令模型机设计2条访内指令，即存数（STA、取数（LDA） , 2条转移指令，即无条件转 移（JMP、结果为零或有进位转移指令（ BZC,指令格式为：7 65 43 21 00COP -CODErd其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA STA指令使用）。D为位移量 （正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址横式M有效地址E说明直接

5、寻址01E- (D)间接評址10E= RJ) -DRI变址寻址LL少(PC) -u相对寻址本模型机规定变址寄存器 RI指定为寄存器R2。I/O 指令输入（IN ）和输出（OUT指令采用单字节指令，其格式如下:7 6 5 43 21 0OP-C0DEaddrrd *其中，addr=01时，选中“ INPUTDEVICE1中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“ OUTPUT DEVICE中的数码块作为输出设备。（4）停机指令指令格式如下：7 6 5 43 21 0OP-COUl-0000HALT指令，用于实现停机操作。本模型机的数据通路框图如图7.2-1。根据机器指令系统要求，设计微程序

6、流程图及确定微地址，如图 7.2-2。微指令的前六位 S3S2S1S0MCnWE根据表2.5-274LS181逻辑功能表写出:表2. 5-174LS181桶班聲功紐鶯缁人为A和氐 输出为F.为正逻無.S3 S2 S) S运 JPCiv*U无进位CT有谨位）0000F=AF= A 加 1F=X000 1F-A*BF-U讪加1f-=a7bCO 1 0F-A-DFtA+BI 1F-A300 1 1F-oat iF1F=0 100F=A 加.AliF=A in AB w 1F=AB0 1 0 1F-AB JHiAB!F-AB加屮町加1F-B0 I 1 cF-Airtaat 1F-A 减 13F-A U

7、0 111F=AH 碰F=ABF=ABIODOF=A 加 AHF=A JQAB 加| IF=A*B10Q 1FAflUB*加IMT】F-A RMIOF=AB加侔面F-AB却空W）加IF=U10 11l*AH 誉 1FA1F=AU1 1 00F-ASfl AF-A加人加丨F=l110 1F=A俪十团F-A lA-BlZm 】F-A+BF*A加住+盲）F-A加珞加F*A+B111F-A 减 Ir-F-A微指令格式微指令字长共24位，其控制位顺序如表4.4-1所示。.514IjKOft【” DR#LDIR 1LDI3R2l.DIRLOADLDARA字段126fiRS旧RD-BRl-R0轴目ALL-B

8、PC-BC宇段2322丁2 *1917161314 3121 1 19 8 7543HI!S2S)S.MCatA9ASA13cuA5llA4uA3l.-XZnA 3uA l梵中UA5-UA0为占位的后续微抱址，X、乩 匚为三个诵码字段，分别由三牛握制忙 评码出多位.E字段申附P 一P (4)丛四牛测试字血典功能足根据机露抬令朋相应繼 代码进柠祚码F愷微程序转人相应的徹地址入,从而实现微稈.序的顺序、分支、祷坯运f讥 梵原理如團4 4-3 示.图7-12为持令寄存器的第7-2位输也SE5-SEI AUft控瞬臥 元徹堆址镂卑器的握置端输出。AK为算术运算是否彫呵进位及判零标志控制位，典为零有 S

9、fce E字段中的RS4K R04K RbB分别物熬寄存器進通信号、口的寄/器选通信号及證址 寄存器选通信号，其功能是根躬机器指令来进行三牛工作寄存器R0、爾及R2的选通译码， 裁原理如團4 4-4,图+ 10-J4为措令寄存器的第07位，LD心为打入工作寄存器信号的 译码器使能揑制位匸四、设计微程序流程图及确定微地址rn 2X0)*三 K-M 一oizcoo*Wnn/疋“三该厘JI一I_-od IgVA.XhiX：TZ4P5窝TTZi ? 仏?lA JMW (0lru 0A3、rk5ffDRILLSHl 2|E匸rr?8J支卜 a7 二335Mu-微代码设计文档(1)编写控制台启动程序微指令

10、，程序流程图F 2a这条微指令的地址为 00 （八进制），即00H。下一条微指令的地址为10 （八进制），所以微指令的低六位（6-1 ）为001 000。由数据通路可知完成此操作为空，没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000000。也没有用到 W/R控制信号故 WE A9 A8（ 18-16 ）为0 1 1。A字段、B字段的控制信号也没用到 故A B（ 15-10 ）为000 000。用到P（ 4）控制信号故 C字段（9-7 ）为100。综上所述24位微指令二进制代码为:000000 0 1 1 000 000100 001000242322212019IS17161514131211

11、 109 8 =654371S3S2SISOCnV-EA9ABCuA5uA4u A3iA2uAliiAO故本条微指令为：$M00018108（2）编写IN 02，R0微指令L 4PC-?AR 欝a）IN的第一条微指令为丄一这条微指令的地址为 01（八进制），即为01H。下一条微指令的地址为 02 （八进制），所以微指令的低六位（6-1 ）为000 010 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000000。存储器RAM处于打开状态，即W/R为0、CE=0,故第18位 WE=W/R=；Y0=SW-B=0 丫仁CE=0, Y2=LED-B=0,即第 17、16 位的 A

12、9 A8 为 1 1。AR的控制信号LDAR=1故A字段为110； PC-B=1，故B字段为110； PC的控制 信号LDPC=1故C字段为110。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 1 1 110 110110 00001024232221201917161514131211 10g K =6*4321S3S2SISO6WEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uAllAOb)IN的第二条微指令为这条微指令的地址是 02 （八进制）即02H。下一条微指令的地址是 20 （八进制）所以微指令的低六位（ 6-1 ）为010 000。 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六

13、位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于读状态，即 W/R为0、CE=1,故18位 WE=W/R=； Y仁CE=1,故 17-16 位的 A9 A8 为 0 1。IR的控制信号LDIR=1，故A字段为100 ； B字段控制信号全为零，故B字段为000； P（ 1）控制信号为1,故C字段为001 。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 0 1 100 000001 0100002423212019Hrny161514131211 109 8 t6T31S3S2SISOVICnWEA9ASABCuA5uA4uA3uA2uAluAO故本条微指令为：$M0200C050XS

14、W40I 用C)IN的第三条微指令为这条微指令的地址是 24 （八进制）即14H。下一条微指令的地址是 01 （八进制）所以微指令的低六位（ 6-1 ）为000 001。 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于不工作状态，故 W/R为0,故18位 WE=W/R=； Y0=SW-B=1故 17-16 位的 A9 A8 为 0 0。R0的控制信号LDDR1=1故A字段为010；其余控制信号全为零，故B字段为000， C字段为000。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 0 0 001 000000 000001242322

15、21201918171614131211 10g s r65431S3SISISOMCnWEA9ABcuA5uA4u A3uA2uAlAO(3) 编写LDA 00, 20, R1微指令PC*Ra） LDA的第一条微指令为这条微指令的地址是 20 （八进制）即10H。下一条微指令的地址是 03 （八进制）所以微指令的低六位（6-1 ）为000 011由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于打开状态，即 W/R为0、CE=Q故第18位 WE=W/R=0 Y0=SW-B=0 丫仁CE=0, Y2=LED-B=0,即第 17、16 位的 A9

16、 A8 为 1 1。AR的控制信号LDAR=1故A字段为110； PC-B=1，故B字段为110； PC的控制 信号LDPC=1故C字段为110。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 1 1 110 110110 000011242322212019181716514131211 10g 8 764321S3S2SI01VICnWEA9A8ABC1A4uA3uA2u AlllAO故本条微指令为： $M1001ED83这条微指令的地址是 03 （八进制）即03H。下一条微指令的地址是 04 （八进制）所以微指令的低六位（ 6-1 ）为000 100。 由数据通路可知完成此操作没有用

17、到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于读状态，故 W/R为0、CE=1,故18位WE=W/R=； Y仁CE=1,故 17-16 的 A9 A8 为 0 1。DR1的控制信号LDDR1=1故A字段为010，其余控制信号为零，故B字段为000，C字段为000。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 0 1 010 000000 0001002423222120191817161514131211 10g 8 764321S3S2SISO1VI6WEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2u AlllAO| J04RAMBITSC） LDA的第三条微指令为

18、丨这条微指令的地址是 04 （八进制）即04H。下一条微指令的地址是 40 （八进制）所以微指令的低六位（6-1 ）为100 000。由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于读状态，即 W/R为0、CE=1;故18位 WE=W/R=； Y仁CE=1,故 17-16 位的 A9 A8 为 0 1。AR的控制信号LDAR=1选择信号P（2）=1，其余控制信号全为零。故A字段为110，B字段为000，C字段为010。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 0 1 110 000010 100000d） LDA的第四条微指令为24

19、2322212019181716151413I2H 10g s 764321S3S：SISOMCnA9ABr cuA51MUA3uA2uAlliAO故本条微指令为：$M0400E0A0这条微指令的地址是 40 （八进制）即20H。下一条微指令的地址是 01 （八进制）所以微指令的低六位（ 6-1 ）为000 001。 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。存储器 RAM处于读状态，故 W/R为0、CE=1,故18位WE=W/R=； Y仁CE=1,故 17-16 位的 A9 A8 为 1 1。Rd的控制信号LDRi=1，其余控制信号为 0 ;故A字段为

20、001, B字段为000，C 字段为000。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 0 1 001 000000 0000012423222120191817161514131211 10g 8 764321S3S2SISOVICnWEMA8ABCuA51A4uA31A2uAlllAO(4) 编写ADC RO, R1微指令a)ADC的第一条微指令为ADC二5-MR这条微指令的地址是 31 （八进制）即19H。下一条微指令的地址是 52 （八进制）所以微指令的低六位（6-1 ）为101 010。由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。没有用到

21、存储器 RAM故 W/R为0、CE=0故18位 WE=W/R=； Y3=1,故17-16 位的A9 A8为1 1。DR1的控制信号LDDR1=1 Rs的控制信号 RS-B=1，其余控制信号为 0 ;故A字 段为010, B字段为001, C字段为000。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 1 1 010 001000 101010242322212019181716514131211 10g 8 7654321S3S2SIVICn训EA9A8ABC1A4uA3uA2u AllAO故本条微指令为：$M1901A22AJ tb）ADC的第二条微指令为一-这条微指令的地址是 52 （

22、八进制）即2AH下一条微指令的地址是 53 （八进制）所以微指令的低六位（ 6-1 ）为101 011。 由数据通路可知完成此操作没有用到运算器所以高六位（24-19 ）为000 000。没有用到存储器 RAM故 W/R为0、CE=0故18位 WE=W/R=； Y3=1,故17-16 位的A9 A8为1 1。DR2的控制信号 LDDR2=1 Rd的控制信号 RD-B=1，其余控制信号为 0 ;故A字 段为011 , B字段为010 , C字段为000。综上所述24位微指令二进制代码为：000000 0 1 1 011 010000 101011242322212019I/p>

23、1 10g 8 r6431S3SISISOCnWEA9ASABCuA?uA4u A3iA2uAlAOJR I-DR 2-c）ADC勺第三条微指令为这条微指令的地址是 53 （八进制）即2BH下一条微指令的地址是 01 （八进制）所以微指令的低六位（6-1 ）为000 001。由数据通路可知完成此操作加法运算器的控制信号S3=1、S0=1、Cn=1,其余为0;所以高六位（24-19 ）为100 101。没有用到存储器 RAM故 W/R为0、CE=Q故18位 WE=W/R=； Y3=1,故17-16 位的A9 A8为1 1。Rd的控制信号 LDRi=1, ALU的控制信号 ALU-B=1, AR的

24、控制信号 ALU-B=1 ;故 A字段为001, B字段为101 , C字段为101。综上所述24位微指令二进制代码为：100101 0 1 1 001 101101 00000124232?2019Hrp7161514131211 109 8 r6JT1S3S2SISOXICnWEA9ASABCuA5uA4uA3uA2uAlnA!)故本条微指令为：$M2B959B41微程序$M00018108 $M0101ED82 $M0200C050 $M0300A004 $M0400E0A0 $M0801ED8A $M0901ED8C $M0A00A03B $M0B018001 $M0C00203C $

25、M1001ED83 $M14001001 $M15030401 $M16018016 $M1901A22A $M1E318237 $M20009001 $M2A01B42B $M2B959B41 $M37298838w, 画BfflII 1.1 K I I I I K (II绘IL KI B ULI IE:kxio*-r - yr三ZK p 一 EAUO- 一 .Gs g p 壬 E門口 AUDKr冷二 MPT二_H - sljk ALLrti 1J:HLE忘 Q.Fnrsca艺TKULLmA.KCJ匸一亠STnl L?HHTUT unrvFrr0M_m二ffl 访 Lz-Tz-rI IJK2

26、I hillI iikci存产LMT i- 3rmEcn 一冉& i Ers-s- 4 ptc 一口一r口 -?h- R _EL十 R _?=pOIYln1LCHycd-iLA LE,壬巨T DEVICE-Lm? 口六、调试步骤和结论(1) 课程设计调试步骤：a) 按上图连接好电路。b) 联机读写程序，选择联机软件【转储】t【装载】功能菜单调入以前的实验程序检 查接线是否正确。c) 正确无误后装载本小组的程序，联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令及微指令后，选择【运行】t【通路图】t【复杂模型机】 功能菜单打开数据通路图， 按相应步骤联机运行、监控、调试程序。拨动总清开关CLR清零后，使程序的首地 址以及微程序地址为 ooh程序可从头开始运行。d) 仔细观察数据通路写出机器指令和微指令的执行过程。e) 分析机器指令程序，仔细观察数码管并写出输出结果。(2) 仔细观察数据通路写出机器指令和微指令的执行过程 ：机器指令助记符微操作微指令的执行过程IN 10,R11. PC-AR-RAM PC+1-PC2. RAM-AR-IR3. INPUT-R1读取第1条指令