复杂模型计算机的设计-计算机组成原理

课程设计报告课程名称计算机组成原理课题名称复杂模型计算机的设计〔一〕专业计算机科学与技术班级学号姓名指导教师陈华光、陈多2023年8月29日湖南工程学院课程设计任务书课程名称课题复杂模型计算机的设计专业班级学生姓名学号指导老师陈华光、陈多审批陈华光任务书下达日期2023年8月29日任务完成日期2023年9月5日一、设计内容与设计要求1．设计内容模型机是由五个局部组成的计算机，通过它可以理解计算机整机的结构及功能，理解CPU、存储器、中断控制器、总线的结构及实现逻辑和各部件之间的接口关系。本次课程设计的主要内容是利用西安唐都公司的TDN-CM++的内部可编程资源，设计一个模型计算机。本课程设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由5局部组成，掌握计算机的工作过程，从“指令—微指令—微操作〞概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。2．设计要求：(1)借助于TDN-CM++的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令存放器，地址转移逻辑，微地址存放器，控制时序信号单元，存放器组，总线，输入\输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功。(2)复杂模型机的设计要求(参考P107-115)模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用存放器直接寻址。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〕。设计2条I/O指令，输入〔IN〕和输出〔OUT〕指令采用单字节指令。设计停机指令1条用单字节表示。(3)调试的程序第一组地址〔H〕内容〔H〕助记符说明$P0044IN01R0INPUTdevice->R0$P0146IN01R2INPUTdevice->R2$P0298ADCR2R0R2+R0+CY->R0$P0381MOVR0R1R0->R1$P04F5RLCR1R1R1右移一位$P050CBZC000000->PC$P0600第二组地址〔H〕内容〔H〕助记符说明$P0045IN01R1INPUTdevice->R1$P0100LDA0000R0(20)->R0$P0220$P0386MOVR1R2R1->R2$P04A8SBCR2R0R2-R0-CY->R0$P05F5RLCR1R1R1右移一位$P060CBZC000000->PC$P0700第三组地址〔H〕内容〔H〕助记符说明$P0046IN01R2INPUTdevice->R2$P0184MOVR2R0R2->R0$P0244IN01R0INPUTdevice->R0$P0398ADCR2R0R2+R0+CY->R0$P04E2COMR2NOTR2->R0$P05D6STA000AR2R2->(0A)$P060A$P070CBZC000000->PC$P0800在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。要求修改一条微指令。(4)按本任务书的要求，编写《课程设计报告》〔Word文档格式〕。并用A4的复印纸打印并装订。(5)在规定的时间内，请各班学习委员收齐课程设计报告在星期五交陈华光老师。3．分组及安排分5组，学号除以5取余数，余数为0的同学做复杂模型机1、余数为1的同学做复杂模型机2，余数为2的同学做复杂模型机3，余数为3的同学做基于RISC的模型机，余数为4的做流水线模型机，每个组必须独立完成指定的题目，每个同学按要求独立完成课程设计报告。4．成绩评定程序设计方案是否合理；程序设计是否正确；调试结果；设计说明书的质量上下；辩论时答复下列问题情况；课程设计周表现情况；总评成绩记入“课程设计成绩评分表〞。二、进度安排第1周-2周，具体安排如下：星期时间班级内容地点第1周18：00—11：50计算机0981任务安排E-5102接线E-5103调试E-510414：30—18：20计算机0981系统调试实现E-51058：00—11：50计算机0981接线E-510调试E-510系统调试实现E-510附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件〔A4大小的图纸及程序清单〕。正文总字数要求在5000字以上〔不含源程序代码〕。目录一、课题的主要功能07 二、总体设计方案07 1、模型机的逻辑框图07 2、用框图语言表示模型机的指令执行流程07三、数据格式和寻址方式的设计091、数据格式092、模型机的寻址方式093、指令格式09四、指令和微程序的设计121、指令系统122、修改微指令12五、线路连接图13六、微程序流程及说明221、微程序截图流程142、修改后的机器指令223、源程序清单22七、课程设计的收获及体会24八、参考资料24九、计算机科学与技术系课程设计评分表25一、课题的主要功能本课题设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由5局部组成，掌握计算机的工作过程，从“指令—微指令—微操作〞概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。二、总体设计方案(1)复杂模型机的逻辑框图以控制器为中心，首控制器从指令存放器取得指令，编译指令，再输出微控制信号，控制ALU的运算，PC加一，并且从RAM中取出数据运算，运算后再把结果通过数据总线存到RAM，在指令存放器读去下一条指令，依次循环。图1复杂模型计算机逻辑框图〔2〕用框图语言表示模型机的指令执行流程图2模型计算机逻辑框图三、数据格式和寻址方式的设计〔1〕数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为８位，其格式如下：７６５４３２１０符号尾数其中第7位为符号位，相对于十进制数值表示范围是：－27X27－1。〔2〕模型机的寻址方式操作数的寻址就是寻找形成操作数在主存中的地址的方法。设指令格式如下：操作码〔OP〕寻址特征形式地址操作码〔OP〕寻址特征形式地址形式地址〔D〕：指令地址字段中给出的地址。有效地址〔EA〕：形式地址经过一定计算而得到的操作数的实际地址。常用寻址方式如下：(1)立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。即数据data=D。(2)直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出，即操作数的有效地址为EA=D。(3)间接寻址：指令的形成地址D在主存相应单元中的内容是操作数的地址，即操作数的有效地址为EA=〔D〕。(4)存放器寻址：指令中给出的是存放器号R，操作数就是存放器中的内容，即data=〔R〕。(5)存放器间接寻址：指令中给出的是存放器号R，而操作数的地址就是存放器中的内容，即EA=〔R〕。〔3〕指令格式由于本模型机机器字长只有8位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指令。根据要求,设计该模型机能执行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1)算术逻辑运算指令9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表。注：有两处错误1100rsrd1.AND为双目操作，所以指令格式为1101rd2.COM中是对rd进行操作,所以指令格式算术逻辑运算指令用单字节表示，寻址方式采用存放器直接寻址，其格式如下：７６５４３２１０OP-CODErsrd其中，OP-CODE为操作码，rs为源存放器，rd为目的存放器，并规定：Rs或rd选定的存放器000110R0R1R2(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：7654321000MOP-CODERDD其中，OP-CODE为操作码，rd为目的存放器地址〔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：寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=〔D〕E=〔RI〕+DE=〔PC〕+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址(3)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：其中，addr=01时，选中“INPUTDEVICE〞中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUTDEVICE〞中的数码块作为输出设备。(4)停机指令指令格式如下：HALT指令，用于实现停机操作。四、指令和微程序的设计〔1〕指令系统本模型机共有16条根本指令，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X列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，表X即为将图X微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表〞。并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件，见下表X。242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCμA5μA5μA5μA5μA5μA5要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。〔2〕修改微指令确定要修改的机器指令，从指令系统能够中找到该指令的指令格式，修改rs或者rd来修改机器指令。从微程序流程图中找到条需要修改的机器指令，明白该条机器指令由几条微指令组成，取需修改的微指令的序号，把序号先换成八进制，再换成十六进制；从源程序清单中找到换成的十六进制序号，取序号后面的六位数。把六位数中的前两位数换成十六进制，在74LS181的逻辑功能表中看第一位数的十六进制〔即S3S2S1S0〕与微指令操作是否相符，以确认方法无误。然后把需修改的微指令中的S3S2S1S0修改为想要的微指令的S3S2S1S0。把第2位数的十六进制的前2个〔即MCn〕进行修改。算术运算M=0，逻辑运算那么M=1.有进位Cn=0，无进位Cn=1.把修改后的结果写入源程序中即可。五、线路连接图注：有一处错误。在LOGUNIT模块中没有〔CYZI〕，应改为〔FCFZ〕六、微程序流程及说明要求,同一小组的每个同学必须截取不同的机器指令的微程序流程图,主要是与四中分析的一致！微程序截图流程1〕取指令，指令译码〔2〕把操作数送到R1中。〔3〕取指令，指令译码。〔4〕把操作数送到R2中。〔5〕取指令，指令译码。〔6〕把R2，R1的值送到运算器中并运算。〔7〕把运算结果送到R1中。〔8〕取指令，指令译码。〔9〕把R1中的值送到R0中。〔10〕取指令，指令译码。〔11〕把R0中的数送到299芯片中。〔12〕把299芯片中数据右移后的结果送到R0中。〔2〕修改后的机器指令第一组地址〔H〕内容〔H〕助记符说明$P0045IN01R1INPUTdevice->R1$P0146IN01R2INPUTdevice->R2$P0299XRLR2R1R2⊕R1->R1$P0384MOVR1R0R1->R0$P04F0RRCR0R0R0右移一位$P050CBZC000000->PC$P0600〔3〕源程序清单：$P0045$P0146$P0299$P0384$P04F0$P050C$P0600$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300A004$M0400E0A0$M0500E006$M0600A007$M0700E0A0$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A03B$M0B018001$M0C00203C$M0D00A00E$M0E01B60F$M0F95EA25$M1001ED83$M1101ED85$M1201ED8D$M1301EDA6$M14001001$M15030401$M16018016$M173D9A01$M18019201$M1901A22A$M1A01B22C$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401$M2205DB81$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AAA0$M2A01B42B$M2BBD9B41//此行由算术运算加法改成逻辑运算与$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32023A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A