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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327828848 摘要 PAGEREF _Toc327828848 h - 2 - HYPERLINK l _Toc327828849 第一章 题目与要求 PAGEREF _Toc327828849 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828850 1.1课程设计题目 PAGEREF _Toc327828850 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828851 1.2 课程设计目的 PAGEREF _Toc327828851 h - 3 - HYPERLINK l _Toc3278288

2、52 1.3 课程设计要求 PAGEREF _Toc327828852 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828853 1.4 设计目标 PAGEREF _Toc327828853 h - 3 - HYPERLINK l _Toc327828854 第二章 准备知识和实验设备 PAGEREF _Toc327828854 h - 4 - HYPERLINK l _Toc327828855 2.1 准备知识 PAGEREF _Toc327828855 h - 4 - HYPERLINK l _Toc327828856 2.2 实验装置 PAGEREF _Toc327828856

3、 h - 6 - HYPERLINK l _Toc327828857 第三章 模型机的设计骤 PAGEREF _Toc327828857 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828858 3.1确定设计目标 PAGEREF _Toc327828858 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828859 3.2确定指令系统 PAGEREF _Toc327828859 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828860 3.3确定总体结构 PAGEREF _Toc327828860 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828861

4、 3.4设计指令执行流程 PAGEREF _Toc327828861 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828862 确定微程序地址 PAGEREF _Toc327828862 h - 7 - HYPERLINK l _Toc327828863 微指令代码化 PAGEREF _Toc327828863 h - 8 - HYPERLINK l _Toc327828864 编写工作程序并代码化 PAGEREF _Toc327828864 h - 8 - HYPERLINK l _Toc327828865 联机操作文件的建立 PAGEREF _Toc327828865 h - 9

5、 - HYPERLINK l _Toc327828866 连接实验线路 PAGEREF _Toc327828866 h - 9 - HYPERLINK l _Toc327828867 3.5调试 PAGEREF _Toc327828867 h - 10 - HYPERLINK l _Toc327828868 第四章 实验步骤 PAGEREF _Toc327828868 h - 11 - HYPERLINK l _Toc327828869 4.1程序的内存映象 PAGEREF _Toc327828869 h - 11 - HYPERLINK l _Toc327828870 4.2流程图 PAGE

6、REF _Toc327828870 h - 12 - HYPERLINK l _Toc327828871 4.3微程序 PAGEREF _Toc327828871 h - 12 - HYPERLINK l _Toc327828872 4.4程序分析： PAGEREF _Toc327828872 h - 13 - HYPERLINK l _Toc327828873 第五章 设计总结 PAGEREF _Toc327828873 h - 15 - HYPERLINK l _Toc327828874 谢 辞 PAGEREF _Toc327828874 h - 16 - HYPERLINK l _Toc

7、327828875 参考文献 PAGEREF _Toc327828875 h - 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过程，掌握计算机最基本的工作原理。为培养在计

8、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了解，在此基础上完成一台基本计算机的组成设

9、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，另外输入立即数并将其存入另一个、寄存器中，两数进行进位

10、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 准备知识微指令格式微指令字长共24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98

11、7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

12、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

13、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

14、，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 C

15、N 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

16、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： $P0044：表示在内存地址00h处的数据是44h。$P0146：表示在内存地址0

17、1h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

18、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

19、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+0AHR0020A0000 00110010 0000STA 0BH03200000 01000000 1

20、011R00BH040B0000 01010011 0000OUT 0BH05300000 01100000 10110BHLED060B0000 01110100 0000JMP 0107400000 10000000 000101HPC08010000 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 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 00300E0040 40 0 0 0 0 0 0 0 1

21、0 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

22、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00

23、0011，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DR1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-

24、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$M1001ED92$M17070A10$M0300E004$M0A01ED87$M1101ED94$M18068A11$M0400B005$M0B01ED8E$M1200A017$M

25、0501A206$M0C01ED96$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。