计算机组成原理设计报告

1、计算机组成原理课程设计报告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：学号姓名成绩2220132451程子璇2220112338班昌石石设计时间：2015年8月31日至9月11日计算机组成原理课程设计报告2目录1 .设计任务与要求,-1 -10113.详细设计, 4.设计结果及分析,5.成员分工及工作情况, 6.参考文献,计算机组成原理课程设计报告-5 -1.设计任务与要求1.1设计课题的背景、目的与意义“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

2、型计算机的整机实验。通过模型机的设计、组 装和调试，连贯运用“计算机组成原理”课学到的知识，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、 分析问题和解 决问题的能力。1.2课设应解决的主要问题（1）掌握常用的集成电路芯片的工作原理、特性和应用；（2）按现有实验室提供的条件，设计模型计算机的结构，组成，数据格式、指 令系统、微指令系统；（3）设计一个具有微程序控制器的计算机系统；操作时间表、微指令 结论正确的课程设计（4）在组装调试成功的基础上，整理出设计说明书和其它文件（包括：指令系

3、统、总体图、整机电路逻辑图、元件排列图、操作流程图、 格式和微程序），撰写要简明扼要、文理通顺、图表清晰、 总结报告。掌握计算机组成原理知识 数据格式设计指令设计，指令格式设计 指令系统设计1.3课设应达到的技术要求（1）（2）（3）（4） 1.4课题设计的基本理论依据（1）指令格式HLT和MOV格式如下:所有单字节指令（ADD AND INC、SUB OR RR表1-4-1单指令格式7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD其中，OP-COD助操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定: 表1-4-2寄存器规定RD或 RS选定的寄存器00R001R110R211R3IN和OUT的

4、指令格式为：表1-4-3 IN 和OUT指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDP其中括号中的1表示指令的第一子节，2表示指令的第二子节，OP-CODE 为操作码，R助源寄存器，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1-4-1 （在地址总线单元）。y1* t二B A B GATS衣X N 西 X2 3 0 1112 2 Y Y Y Y12 3 Y Y Y O O O III图1-4-1 I/O地址译码原理图系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD STA

5、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻 址能力。LDI的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。表1-4-4 LDI指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDdataLAD STA JMP和BZC指令格式如下。表1-4-5 LAD、STA JMP和BZC指令格式7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7-0(2)OP-CODERSRDD其中M为寻址模式，具体见表1-4-6，以R2做为变址寄存器RI。表1-4-6 寻址方式寻址模式M有效地址E说明00E = D直接寻址01E= (D)间接寻址10E= (RI) +DRI变址寻址1

6、1E= (PC) +D相对寻址(2)微指令格式A字段B字段C字段141312选择000NOP001LDA010LDB011LDKi100保附101LOAD110LDAR111LDIR11109选择000NOP001ALU B010RS B01IRD B100RI B101保留110PC B11I保留3ri6选择000NOP001P<1>010P<2>011P<3>100保留101LDPC110保留111保留表1-4-7微指令格式232221201913-1514-1211-93-65-0M23CNWKRDI0MS3-SOA字段B字段C字段UA5-tA0(3)

7、指令系统表1-4-8指令描述计算机组成原理课程设计报告3-7 -(4)指令译码原理IEI佝(5)寄存器译码原理|LDRi>ocRD_EHglgRS_BCCSE1CE3图1-4-2指令译码原理图Y1I0NAlYfflIN01Y12NA2Y13NB2Y20NGINY21NG2NY22N¥23 N2:4 DECODER74139Y10,NA1Y11NB1Y12)NA2Y13NB2Y20NI GINY21N1 G2NY23NY23N74139A0D313LDROLDR1LDR2-：nRI B2:4 DECODER图1-4-3寄存器译码原理图LDR3RO BRI_BR2 BR3_B计算机

8、组成原理课程设计报告(6)二进制代码表表1-4-9二进制代码表地址十六进制成示高五位S3-S0A宁段B宁段c字段UA5-UA00000 00 010000000000000000000000010'100 GD 43000000000110LLOWL0000110310 70 70OOO'IO0000111000001110000CH'00 21 05000000000Ol'Ooil0000001010501 B2 01MOOO1001'Oil001000OOOOOl0600 34 07CKXWO0000010O'll0000001110701

9、32 01000000010oil001000000001OS10 60 0900010000011000000000100109IS 30 01000110000on000000000001QA10 60 10MOW0000no0000000100000500 00 QI（XWOOQOOQOO000000WOOOloc10 30 01000100000oil000000000001OD20 06 01001000000000001100000001OE'00 53 41CKXWO0000101001101000001OF00 00 CB000000000000000oil001011

10、1023 04 010010100000000100000000011110 30 01000100000oil000000ooooai1206 B2 01000001101oil00100000000113'00 21 11000000000Ol'OO'll0000101001405 B2 01MOOO1011'Oil001000OOOOOl1500 34 16000000000010O'll000monoIG01 B2 01000000011oil0010000000011700 24 IS000000000010O'll0000110001

11、8'02 B2 01000000101oil001000000001IB'00 53 41000000000I'Ol001101OCOOOlIC10 10 ID00010000000100000001 HOIID10 60 3C000100000110000010001100IE10 60 IF（KK）100000110000000011111IF10 10 20000100000001000000lOOOOO2010 60 SCMOil'O0000110000010'OOllOO2S10 10 29io00000010000001010012900 2

12、S 2A0000000000101000001010102A01 E： 2D000001001no0010001010112B04 92 SC0000010010010010100011002C10 10 2D'MOl'O0000001000000101101表1-4-10二进制代码表（续）2D00 2C ?E0000000000101100001011102E04 E2 2F00000lOGlno001000toil112F01 92 SC0000010010010010100011003000 16 04000000000001oil0000001003100 16 060

13、00000000001on0000001103200 6D IS000000000110110101001 ooo3300 6D 4A00000oow110110101001010'3-100 31 01000000000oil0100000000013500 00 3500000OOCK)0000000001101013600 6D 51000000000nono101OLOOOl3700 16 12000000000001on0000100103S00 16 13000000000001oil0000100113900 16 15000000000001oil0000101013A

14、00 16 n000000000001on000OlOlll3B00 00 0100000OOCK)000000000OOOOOl3C00 6D 5C0000000001101101010111003D00 &D 5E000000000no1101010111103E00 en 6S000000000110110101101 ooo3F00 6D 6C0000000001101101011011001.5主要工作内容（1）（2）（3）（4）（5）（6）数据格式、寻址方式、指令系统设计； 微指令、微程序设计；操作流程、操作时间表设计；模型机总体逻辑电路设计（包括：运算器、存储器、微程序控

15、制器） 模型机整机连线、调试；按自行设计的模型机指令系统，编制程序，验证其正确性和合理性。2.1设计仪器PC机一台，TD-CMA实验系统一套，排线若干。2.2设计内容在此次课设中，设计内容的实验将在微程序控制下自动产生各部件单元控 制信号，实现特定指令的功能。(1) 微程序设计非指令、自减指令、左移指令、异或指令与同或指令的设计(2) 程序设计乘法程序指令的设计-41 -3. 详细设计3.1课程设计步骤(1)连接实验线路n.mALI EJALiAprr甲疋 I ALL. E!l7I血12r.nii曲HUVMPrVWVB1411I-DfliOKI-F<l>r<3f>RDE

16、5IKI<nF7E弋1哥fVT?fflmr?IOlLunsmLAII!i.orIf帽IJWfPf_pHTI«RA?ATI一血 -g-HL- - -nj-dO-i.(wrUMPPCTC7flHIAK唯 /Lcr图3-1-1实验接线图(2)用实验指导手册上提供的例子进行调试;/#* Start Of Main Menory Data eo ei 02B304B&0607ese?BA OS oc ei>OEOF101112131415161718191fl1B1C60$P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $P $

17、P $P $P $P $P $P Sp Sp $P $P $P $P $PPPPPPPPP123456780 0$P$P$P$P$P696A6B6C6D6E2a 00 61 0F 1461 QB FD166260ceeaBD72A3 01 8CF0 14 EB QBD17D3440 EB 00 5Q ei02030405Q«07QBQ9QA QB QCOD OEOF;/#*«*«* /start： in R0,00H从和 单元读入计数初值R1,BFH立即数QFH送R1阿M OlRB低四位Ri>0aH裝A和初值00Hresult计数值为0则跳转R2-6OH馍入

18、数据始地址LOOP： LftD R3,R1.0OH从MEM读入数据送義址寻址，偏移量为00«LDTANDLDTLDIADDINCLDIsueBZCR1,R3RI 变±lR3,eiH,扌旨向下一数据Re*R3result相减为尅，表示求和完毕Loap未完则继续RESULT: STA 7BH,R1 和存于 MEM 的了 0H 单元OUT 40H,R1却在OUT单元显示JMP STftRT 跳转至SIARTHLI停机數据JMPEnd Of Main Menoru Data *»*/图3-1-2累加程序(调试指令)OS aoeaeiNOP01 0加D却3PC->AR

19、, PC 力03 1 07070MEM-MR, PG04 00240HS->B05 a即B2B1A 力qB->RD06 002407RS->B07 0132 01A 与B-ARDQ8 10600QMEI1->AR09 1830B1IO-RDOA 106010MEN->nRQB oooeeiNOPOC 103001HEM->RDQD zoe6 B1RD-HEM0E 005341A->PCOF oeoecBNOP, P<3>IS 280401R£->1011 103001MEI1->RD12 06B2eiA 力qi->

20、;RD13 002414RS->B14 a5B2eiA 减B->RD15 002416RS->B16 01B2eiA 或B->RD17 002418RS->BIS a2B2B1A右环移-RDIB 005341A->PC1C 101O1DID 106a8CIE 1B6 01FMEM->ftRIF 101 020MEN->A20 ie6oecMEM->AR, P<2|28 10102929 00282ARJ->B2A 04E22BA 加B-MR2B Q492eCA 力qB->A, P<2>2C 1B1O2DZD 0

21、e2C2EPC->B2E 04E22FA 力QB->AR2F aii92gCA 加B-P<2>3Q aB16B4RD->n31 0016 06RD->A32 006D48PC->AR, PC 加133 aO6DliAPC->AR, PC 加彳34 003401RS->RD35 000035NOP36 006051PC->AR, PC 加*37 001612R»->A38 001613RD->A39 Oei61SRD->A3A 001617H»->A3B aoeoBiNOP3C 0加D5CPC

22、->AR, PC 加13D 006DSEPC->AR, PC 卽13E 006068PC->AR, PC 加*3F 0B6D6CPC->flR, PC 力中Microcontroller Data:/* start Of Microcontroller Data */$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$MSM$M$M$M$M$M$M$M$M$M$M$H$M$M$M$M$M5M$M$M$M$H$M$M$M$H$M*/:/* End Of图 3-1-3微程序调试例子(3) 确定设计目标确定所设计计算机的功能和用途。确定指令系统(5)确定总体结构

23、(寄存器、加法器、选择器的设置与数据通路的设计)(6)设计指令执行流程确定微程序地址微指令代码化(9)编写工作程序并代码化(10)调试，验证其正确性和合理性3.2数据通路框图-百卜:fTT3”卜一 FC曲TTAA =0(+%T1'1 cn1匕-心tLEER3_t#RD bv .丨4- 就=I»<TTJm_u*RI =:砍r；3 =冷H_EI牡p?=«1 1A 中1 T4T4CROL.CRI4R2LDR5T： Wloyo二 I DVTF IDV?R IDYliMm'+1tID=CMFWOZWnwvDR#L匚心T3ifl-vflLUR#n I iDRWPO

24、MIN =JIMNRfl VWTff lOR* lOWWIrfTA#IMTPIJVV#I10*1ui n-=图3-2-1数据通路框图非)3.3微程序流程图(异或 同或 左移 自减(1) 调试指令微程序流程图UnT；0n*,-B a n；=*ip=pYio 1pn*卷-Au<ni|u ife点4古9Q 1QI«Jm1AX55L3話 耳Vr注T盲T ISrn rE7 a t Zi1S%5=*4图3-3-1调试指令微程序流程图(3) 异或微指令流程图RD*ARS-BJ 1A 或 BYDiA 与 B-j非AF.LRD-BA 与 BTD1 3B丄01(2) 同或微指令流程图3BRD-A；

25、1RS-SA 与 E-RDJ :A 或 BrA非AAJ :RD-BJ :A或日f RD I901图3-3-2同或微指令流程图图3-3-3异或微指令流程图(4) 左移微指令流程图、_Ji_d01(5) 自减微指令流程图图3-3-4左移微指令流程图(6) 非微指令流程图3B图3-3-5自减微指令流程图图3-3-6非微指令流程图3.4程序流程图(乘法程序)(1)程序流程图02R2 异或 R3 T R3I3.5乘法程序设计(1)实验程序如下:图3-5-1乘法指令1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27

26、.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.$P 00 20 ; IN RO$P 01 00$P 02 21 ; IN R1$P 03 00$P 04 62 ; LDI R2,10H$P 05 10$P 06 4B ;$P 07 12 ;$P 08 17 ;$P 09 D2 ; STA R2-70H$P 0A 70$P 0B D3 ; STA R3-71H$P 0C 71$P 0D 62 ; LDI R2 ，$P 0E 0F$P 0F 4B ; MOV R3，$P 10 12 ; R0_R2-R2$P 11 17 ; R1_R3-R3$P 12 60 ; LDI

27、R0,ooH$P 13 00$P 14 D0 ; STA RO-74H$P 15 74$P 16 D2 ;将无符号的第一个乘数存到 72H$P 17 72$P 18 D3 ;将无符号的第一个乘数存到 73H$P 19 73$P 1A 60 ; LDI 01H-R0$P 1B 01$P 1C 61 ; LDI 04H-R1$P 1D 04$P 1E C2 ;从73H中取出乘数$P 1F 73$P 20 12 ; AND Ro_R2-R2$P 21 C3 ; 从72H中取出被乘数放到 R3$P 22 72$P 23 F2 ; BZC R2 当R2为0时则转跳到33H$P 24 2A$P 25 C2

28、 ; LAD 74H-R2(SUM)$P 26 74将第一个乘数的符号位存于70H将第二个乘数的符号位存于71H0FHR2第一个乘数的数值位第二个乘数的数值位40.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.57.58.59.60.61.62.$P 27 0E ; R2+R3-R2(SUM)$P 28 D2 ; STA R2-74H$P 29 74$P 2A 93 ; R3 左移一位$P 2B D3 ; R3 存入 72H$P 2C 72$P 2D 00 ; R0+R0-R0$P 2E A1 ; R1-1-R1$P 2F F1 ; BZC 判

29、断R1是否为0,为0则跳转到3C$P 30 33$P 31 E0 ; JMP-27H$P 32 1E$P 33 C2 ;将乘数符号位存到$P 34 70$P 35 C3 ;将乘数符号位存到$P 36 71$P 37 BB ; R2 或R3异或存于$P 38 C0 ; LAD 74H(SUM)-R0$P 39 74$P 3A F3 ; BZC R3 是否为 0,$P 3B 3E$P 3C 81 ; R1-Ro$P 3D 44 ; R1-R0R2R3R3为0则跳到49HR11.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.(2)实验微指令如下:图3-5-2乘法微指令$M

30、 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 力卩 1$M 03 107070 ; MEM->IR, Pv1>$M 04 002405 ; RS->B$M 05 04B201 ; A 与 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 0B 000001 ; NOP$M 0C 103001 ; MEM->RD$

31、M 0D 200601 ; RD->MEM$M 0E 005341 ; A->PC$M 0F 0000CB ; NOP, Pv 3>$M 10 280501 ; RS->IO17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.57.58.59.60.$M 11 103001 ; MEM->RD$M 12 06B201 ; A 力卩 1->RD$M 13 002414 ; R

32、S->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$M 18 02B201 ; A 右环移->RD$M 18 005341 ; A-> PC$M 1C 10101D ; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, Pv 2>$M 1E 10601F ; MEM->AR$M 1F 101020 ; MEM->A$M 20 10608C ; MEM->AR, P <2

33、>|$M 28 101029 ; MEM->A$M 29 00282A ; Rl->B$M 2A 04E22B ; A 力卩 B->AR$M 2B 04928C ; A 力卩 B->A, P<2>$M 2C 10102D ; MEM->A$M 2D 002C2E ; P C->B$M 2E 04E22F ; A 力卩 B->AR$M 2F 04928C ; A 力卩 B->A, Pv2>$M 30 001604 ; RD->A$M 31 001606 ; RD->A$M 32 006D48 ; P C->

34、AR, PC$M 33 006D4A ; P C->AR, PC$M 34 003401 ; RS->RD$M 35 000035 ; NOP$M 36 006D51 ; P C->AR, PC$M 37 001612 ; RD->A$M 38 001613 ; RD->A$M 39 001615 ; RD->A$M 3A 001617 ; RD->A$M 3B 000001 ; NOP$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC->AR,PC 力卩 1$M 03 107070 ; MEM->IR, Pv1>

35、$M 04 002405 ; RS->B$M 05 04B201 ; A 与 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->AR61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.84.85.86.87.88.89.90.91.92.93.94.95.96.97.98.99.100.101.1

36、02.103.104.$M OB 000001 ; NOP$M 0C 103001 ; MEM->RD$M 0D 200601 ; RD->MEM$M 0E 005341 ; A->PC$M 0F 0000CB ; NOP, Pv 3>$M 10 280501 ; RS->IO$M 11 103001 ; MEM->RD$M 12 06B201 ; A 力卩 1->RD$M 13 002414 ; RS->B$M 14 05B201 ; A 减 B->RD$M 15 002416 ; RS->B$M 16 01B201 ; A 或 B

37、->RD$M 17 002418 ; RS->B$M 18 02B201 ; A 右环移->RD$M 18 005341 ; A-> PC$M 1C 10101D ; MEM->A$M 1D 10608C ; MEM->AR, Pv 2>$M 1E 10601F ; MEM->AR$M 1F 101020 ; MEM->A$M 20 10608C ; MEM->AR, P <2>|$M 28 101029 ; MEM->A$M 29 00282A ; Rl->B$M 2A 04E22B ; A 力卩 B->AR$M 2B 04928C ; A 力卩 B->A, Pv2>$M 2C 10102D ; MEM->A$M 2D 002C2E ; P C->B$M 2E 04E22F ; A 力卩 B->AR$M 2F 04928C ; A 力卩 B->A, P<2>$M 30 001604 ; RD->A$M 31 001606 ; RD->A$M 32 006D48 ; P