计算机组成原理课程设计_微程序的设计报告书

1、课程设计指导教师评定成绩表工程分值优秀(100 x90)良好(90 x80)中等(80 x汽0)及格(70 x60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度认学习态度比拟学习态度学习态度尚学习马真,科学作风认真,科学作尚好,遵可,能遵守虎,纪律严谨,严格保风良好,能按守组织纪组织纪律,松散,工学习证设计时间并期圆满完成任律,根本能按期完成作作风不15态度按任务书中规务书规定的任保证设计任务严谨,不能定的进度开展务时间,按保证设计各项工作期完成各时间和进项工作度设计合理、理设计合理、理设计合设计根本合设计不合论分析与计算论分析与计算理,理论理,理论分理,理论正确,实验

2、数正确,实验数分析与计析与计算无分析与计据准确,有很据比拟准确,算根本正大错,实验算有原那么水平强的实际动手有较强的实际确,实验数据无大错错误,实与实25水平、经济分动手水平、经数据比拟验数据不际能析水平和计算济分析水平和准确,有可靠,实力机应用水平,计算机应用能一定的实际动手能义就查阅水平力,文献引际动手能力差,文强、引用合用、调查调研力,主要献引用、埋、调查调研比拟合理、可文献引调查调研非常合理、可信用、调查有较大的信调研比拟问题可信后重大改良或后较大改良或有一定改有f见解观念陈旧创新10独特见解,有新奇的见解,进或新的一定实用价值实用性尚可见解结构严谨,逻结构合理,符结构合结构根本合内容

3、空辑性强,层次合逻辑,文章理,层次理,逻辑基泛,结构清楚,语言准层次清楚,语较为分本清楚,文混乱,文论文确,文字流言准确,文字明,文理字尚通顺,字表达不计算畅,完全符合流畅,符合规通顺,基勉强到达规清,错别书、标准化要求,范化要求,书本到达规范化要求；字较多,50图纸书写工整或用写工整或用计范化要图纸比拟工达不到规撰写计算机打印成算机打印成求,书写整范化要质鱼文；图纸非常文；图纸工比拟工求；图纸工整、清楚整、清楚整；图纸不工整或比拟工不清楚整、清楚指导教师评定成绩指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目微程序设计学院计算机学院专业计算机科学与技术年级2006参数和设计要求

4、用微程序限制器实现以下指令功能调用:CALLaddr指令功能与80X86相同,addr是8位二进制地址返回:RET；存储器到存储器传送：MOVmemi,memj;memi(memj),ij,memi内存单元地址带右移的加法运算：ADDR,Rj,N;Ri(R)+(Rj)N,Rj中内容不变N=0-7学生应完成的工作：根据模型计算机的数据路径以及微程序限制器的工作原理,设计各指令格式以及编码,并实现各机器指令微代码,根据定义的机器指令,自拟编写包含以下指令的应用程序.参考实验5.3、6.1.上机调试并输出正确结果,给出完整的设计报告.目前资料收集情况(含指定参考资料):计算机组成原理实验指导书?计算

5、机组成和设计?,DavidA.Patterson编,清华大学出版社,2003年12月计算机组织与结构?,W川iamStallings编,高等教育出版社,2001年8月计算机组成与系统结构?,李亚民编清华大学出版社,2000年4月课程设计的工作方案：2021-2021第一学年第14周任务下达日期2021仝巨12月8日完成日期2021今 三12月8日指导教师(签名)学生(签名)说明：1、学院、专业、年级均填全称,如:光电工程学院、测控技术、2003.2、本表除签名外均可采用计算机打印.本表不够,可另附页,但应在页脚添加页码.计算机组成原理课程设计报告书、设计目的：综合运用所学过的计算机原理知识,设

6、计并实现较为完整的计算机.掌握运用计算机原理知识解决问题和设计指令程序的水平.通过课程设计的综合练习,培养实际分析问题,编写程序指令和动手水平、团队协作精神,帮助学生系统掌握计算机组成原理课程的主要内容.、设计要求：设计要求：用微程序限制器实现以下指令功能调用:CALLaddr;指令功能与80X86相同,addr是8位二进制地址返回：RET;存储器到存储器传送：MOVmemi,memj;memi(memj),ij,memi内存单元地址带右移的加法运算：ADDRi,Rj,N;Ri(Ri)+(Rj)N,Rj中内容不变N=0-7根据模型计算机的数据路径以及微程序限制器的工作原理,设计各指令格式以及编

7、码,并实现各机器指令微代码,根据定义的机器指令,自拟编写包含以下指令的应用程序.三、微程序限制器的原理：A.微程序限制的根本思想：1 .假设干微命令编制成一条微指令,限制实现一步操作；2 .假设干微指令组成一段微程序,解释执行一条机器指令；3 .微程序事先存放在限制存储器中,执行机器指令时再取出.B.根本组成:限制存储器,微指令存放器,微地址存放器,地址转移逻辑框图：图1微程序限制器组成原理框图限制存储器CM:用来存放实现全部指令系统的微程序,位于CPU中.它是一种只读型存储器,要求速度快,读出周期短微指令存放器：存放当前由限制存储器读出的一条微指令信息,分为微地址存放器和微命令存放器两个局部

8、.其中微地址存放器决定将要访问的下一条微指令的地址,微命令存放器那么保存一条微指令的操作限制字段和判别测试字段P的信息地址转移逻辑：自动完成修改微地址的任务.微程序限制器彳散程序限制器的根本任务是完成当前指令的译和执行,即将当前指令的功能转换成可以限制的硬件逻辑部件工作的微命令序列,完成数据传送和各种处理操作.它的执行方法就是将限制各部件动作的微命令的集合进行编码,即将微命令的集合仿照机器指令一样,用数字代码的形式表示,这种表示称为微指令.这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令,这种微指令序列称为微程序.微程序存储在一种专用的存储器中,称为限制存储器,微程序限制器原理框图如图2所示图2微程

9、序限制器原理框图C.微程序限制计算机的工作过程：下面通过计算机启动、执行程序直到停机的过程,来说明微程序是如何限制计算机工作的：计算机加电以后,首先由复位信号Reset将开机后执行的第一条指令的地址送入PC内,同时将一条取指微指令送入微指令存放器中,并将其他一些有关的状态位或存放器置于初始状态当电压到达稳定值后,自动启动计算机,产生SE6一.SE0节拍电位和工作脉冲.为保证计算机正常工作,电路必须保证开机后第一个机器周期信号的完整性,在该CPU周期末,产生开机后第一个工作脉冲.然后计算机开始执行程序,不断地取出指令、 执行指令.程序可以存放在固定存储器中,也可以利用固化在只读存储器ROM中的一

10、小段引导程序,将要执行的程序和数据从外部设备调入主存.实现各条指令的微程序是存放在微程序限制器中的.当前正在执行的微指令从微程序限制器中取出后放在微指令存放器中,由微指令的限制字段中的各位直接限制信息和数据的传送,并进行相应的处理.当遇到停机指令或外来停机命令后,应该待当前这条指令执行完毕后再停机或至少在本机器周期结束时停机.要保证停机后,重新启动计算机能继续工作而且不出现任何错误.四、总体设计系统构成：实现一个简单的CPU,并且在此CPU的根底上,继续构建一个简单的模型计算机.CPU由运算器ALU、微程序限制器MC、通用存放器R0,指令寄存器IR、程序计数器PC和地址存放器AR组成,如图3所

11、示.这个CPU在写入相应的微指令后,就具备了执行机器指令的功能,但是机器指令一般存放在主存当中,CPU必须和主存挂接后,才有实际的意义,所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和根本的输入输出部件,以构成一个简单的模型计算机.图3根本CPU构成原理图程序计数器PC:程序计数器PC由两片4位可预置二进制计数器构成8位的计数器.使用可预置是由于转移指令需要直接修改PC的值.其电路原理如下列图.图3程序计数器PC地址存放器AR：地址存放器保存访问存储器时的地址信息,由74LS273实现.其电路原理如下列图.指令存放器IR：指令存放器IR存放的是正在执行的机器指令,它作为指令译码器电路存放器堆R0：存

12、放器R0使用的芯片是74LS374,该芯片是8个三态D-FF.其R0电路原理如下列图数据通路如图：的输入,实现程序跳转限制其电路原理如下列图.8图4地址存放器ARO图5指令存放器IR图6存放器R0功能是数据一加上数据二之后左移一位,结果存在R0里；OUT是输出；MOV指令实T;n泞IInS-fOUT=MP#kfA*五、详细设计微程序功能设计：(1)指令设计助记符机器指令码说明ADD00000000*(data1+data2)R0OUT00110000R0-OUTMOV01000000(addr1)-(addr2)LDI01100000*(data)-R0CALL01110000*调用子程序RE

13、T:10000000子程序返回ADD是三字节指令,后面两个*是要进行加法的数据,本指令的现的是将内存地址一的数据传输到内存地址二,由于它单字节指令,所以微指令执行图8数据通路图钳制信号KtInflOriIOWN期间要靠IN单元输入要操作的内存地址；LDI是双字节指令,把后面的*送到R0里；CALL是调用子程序,也还是双字节指令,*是要调用子程序的入口地址；RET指令用在子程序的末尾,帮助子程序正确返回.(2)微指令设计根据机器指令所实现的功能,画出微程序流程图.微程序流程图：OUT00CALLADDRET2399J.B.U21201918-1511-1211-98-65-0M23M22WR R

14、DI0MS3-S0A.:段B字段C字段MA5-MA0当全部微程序设计完毕后,将每条微指令代码化,下表即为将微程序流程图按微指令格式转化而成的七进制微代码表.二进制微代码表地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA000000001000000000000000000000000101006D430000000001101101010000110310707000010000011100000111000030006D490000000001101101010010010910100A0001000000010000000010100A006D4B0000000001101101

15、010010110B10200C0001000000100000000011000C04920D0000010010010010000011010D0392010000001110010010000000013418600600011000011000000000011006103007000100000011000000000111071860080001100001100000000010000820040100100000000001000000000137006D53000000000110110101010011131010140001000000010000000101001400

16、641500000000011001000001010115200C160010000000001100000101101600534100000000010100110100000136006D5100000000011011010101000111103001000100000011000000000001380064120000000001100100000100101210514100010000010100010100000133280401001010000000010000000001实验准备：按下列图连接电路实验接线图：柠山浅RDICL：2印抗展印儿工 R一儿nJnun炖*pc

17、sLO55PC_unu一.R-QoHIELDpAR,PC力口1$M03107070;MEM-IR,P;ADD程序段$M30006D49;PC-ARPC+1$M0910100A;M-A$M0A006D4B;PC-ARPC+1$M0B10200C;M-B$M0C04920D;A+B-A$M0D039201;AR0;MOV程序段$M34186006;IN-AR$M06103007;MEM-R0$M07186008;IN-AR$M08200401;R0-MEM;CALL程序段$M37006D53;PC-ARPC+1$M13101014;MEM-A$M14006415;R0-AR$M15200C16;P

18、C-MEM$M16005341;A-PC;LDI程序段$M36006D05;PC-AR,PC+1$M11103001;MEM-R0;RET程序段$M38006412;R0-AR$M12105141;MEM-PC；OUT指令$M33280401;R0-IO;/*EndOfMicroControllerData*/联机：选择联机软件的“辕储】一装载】功能,在翻开文件对话框中选择上面所保存的文件,软件自动将机器程序和微程序写入指定单元.选择联机软件的“辕储】一刷新指令区】何以读出下位机所有的机器指令和微指令,并在指令区显示,对照文件检查微程序和机器程序是否正确,如果不正确,那么说明写入操作失败,应重

19、新写入,可以通过联机软件单独修改某个单元的指令,以修改微指令为例,先用鼠标左键单击指令区的微存TAB按钮,然后再单击需修改单元的数据此时该单元变为编辑框,输入6位数据并回车,编辑框消失,并以红色显示写入的数据.六、测试：运行：将时序与操作台单元的开关KK1和KK3置为运行档,进入软件界面,选择菜单命令*验】一衢单模型机】翻开简单模型机数据通路图.按动CON单元的总清按钮CLR,然后通过软件运行程序,选择相应的功能命令,即可联机运行、监控、调试程序.观察微程序每一步的实现,在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程.对应微指令：$M34186006;IN-ARMOV中对应微指令：$M061030

20、07;MEM-R0MOV中地让总钱LD舶MEIMLOACWLJDPCIOVW数据总线IOR#IOMIOVW限制信号MVWIOR宰对应微指令:$M11103001;MEM-R0LDI中对应微指令：$M13101014;MEM-ACALL中对应微指令：$M14006415;R0-ARCALL中对应微指令：$M16005341;A-PCCALL中对应微指令:$M0B10200C;M-BADD中对应微指令：$M0D039201;AR0ADD中对应微指令：$M33280401;R0-IOOUT中对应微指令：$M38006412;R0-ARRET中实验结果：实验结果完全符合当初的设计,各个微指令都实现了预

21、先设计的目标,机器程序的测试也到达预期的效果.七、设计中出现的问题和解决方法一出现问题：a在设计CALL指令时,需要把当前指令的位置压栈,等到子程序调用RET指令时再将之弹出栈,方可返回对应的主程序.但设计指令时并未设计PUSH,POP指令,因此保存当前指令成为一个难题.b在设计MOV指令时,内存之间是不可以直接传送数据.二对应的解决方法：a为解决此问题,设计时就多加了一条LDI立即数送存放器指令,目的是使得我们自己可以指定一个内存地址,存放我们当前的指令地址.这样,在我们调用CALL指令前只需调用LDI即可指定位置一个位置存储当前指令地址(类似压栈).当然,RET也要调用它.(b)解决方法,运用存放器当中转,先把存储器一中的数据放到存放器,在把存放器中的数据放到存储器二.八、心得体会这次实验增强了我们的动手水平、提升了