復雜模型計算機的設計報告(原版).docVIP

課 程 設 計 報 告課程名稱 計算機組成原理 課題名稱 復雜模型計算機的設計 專 業(yè) 計算機科學與技術(shù) 班 級 計算機 學 號 2010030 姓 名 張慶華 指導教師 陳華光、陳多、鄧作杰 2012年 9 月 14 日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 計算機組成原理 課 題 復雜模型計算機的設計 專業(yè)班級 計算機 學生姓名 張慶華 學 號 2010030 指導老師 陳華光、陳多、鄧作杰 審 批 陳華光 任務書下達日期 2012 年 9月 3 日任務完成日期 2012年 9月 14日一、設計內(nèi)容與設計要求1設計內(nèi)容模型機是由五個部分組成的計算機，通過它可以理解計算機整機的結(jié)構(gòu)及功能，理解CPU、存儲器、中斷控制器、總線的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)邏輯和各部件之間的接口關系。本次課程設計的主要內(nèi)容是利用西安唐都公司的TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，設計一個模型計算機。本課程設計的主要目的是通過部件級的模型機的設計和調(diào)試，使學生理解計算機由5部分組成，掌握計算機的工作過程，從“指令微指令微操作”概念的理解，從而清晰地建立計算機的整機概念，并培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力，同時增強學生的動手能力。2設計要求(1) 借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運算器單元，控制存儲器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時序信號單元，寄存器組，總線，輸入輸出單元等，用微程序的方式設計一臺的模型計算機。設計包括模型計算機組成的設計，指令系統(tǒng)的設計，并用匯編語言完成設計并調(diào)試成功。(2) 復雜模型機的設計要求 (參考P107-115)模型機設計四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O 指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機指令。設計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址。設計2條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2 條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC）。設計2 條I/O 指令，輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令。設計停機指令1條用單字節(jié)表示。(3) 調(diào)試的程序第一組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 F5 RLC R1 R1 R1右移一位$P05 0C BZC 00 00 00-PC$P06 00 第二組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 45 IN 01 R1 INPUT device-R1 $P01 00 LDA 00 00 R0 (20)- R0$P02 20 $P03 86 MOV R1 R2 R1-R2$P04 A8 SBC R2 R0 R2-R0-CY-R0$P05 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P06 0C BZC 00 00 00-PC$P07 00第三組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 46 IN 01 R2 INPUT device-R2 $P01 84 MOV R2 R0 R2- R0$P02 44 IN 01 R0 INPUT device-R0 $P03 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P04 E2 COM R2 NOT R2 -R0$P05 D6 STA 00 0A R2 R2 -(0A)$P06 0A$P07 0C BZC 00 00 00-PC$P08 00第四組題目設在內(nèi)存地址20h處開始存放著數(shù)組66、33、88、.、00。請編寫機器指令及程序、微指令，完成數(shù)組最大值的查找。只輸出最后結(jié)果，要有停機指令。解題參考：可根據(jù)下面?zhèn)未a完成相關設計。ld r2,20 ;r2 指向數(shù)組首地址begin:ld A,r2 ;注意在微指令中要使r2自動加1cmp A,1F ;1F存放著常量0bzc overcmp A,1E ;1E中存放著最大值bzc nextmov 1E,Anext:jmp beginover:mov A,1E ;思考兩條mov指令操作碼能否一樣?outhlt;array第五組題目內(nèi)容及要求：要求完成兩個4位二進制無符號數(shù)的相乘。請編寫機器指令及程序、微指令。只輸出最后乘積，要有停機指令。解題參考：可根據(jù)下面?zhèn)未a完成相關設計。 ld r1,7 ;被乘數(shù) ld r2,9 ;乘數(shù) ld r3,0 ;積begin: rrc r2,r2-1 bzc ad jmp noadad: mov A,r3 add r3,A+r1noad: and r2,0Fh ;用來判斷4位乘數(shù)是否處理完畢 bzc over shtl r3,1-r3 jmp beginover: out hlt在規(guī)定的時間內(nèi)以小組為單位完成相關的系統(tǒng)功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)測試和記錄并進行適當?shù)姆治?。要?同一小組的每個同學必須分析一條不同的機器指令的微程序的組成,說明組成該機器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號的組成)。第1組第3組的要求修改一條微指令。(4)按本任務書的要求，編寫課程設計報告（Word文檔格式）。并用A4的復印紙打印并裝訂。 (5)在規(guī)定的時間內(nèi)，請各班學習委員收齊課程設計報告在星期五交陳華光老師。3分組及安排分5組，學號除以5取余數(shù)，余數(shù)為0的同學做復雜模型機5、余數(shù)為1的同學做復雜模型機1，余數(shù)為2的同學做復雜模型機2，余數(shù)為3的同學做復雜模型機3，余數(shù)為4的做做復雜模型機4，每個組必須獨立完成指定的題目，每個同學按要求獨立完成課程設計報告。4成績評定程序設計方案是否合理；程序設計是否正確；調(diào)試結(jié)果；設計說明書的質(zhì)量高低；答辯時回答問題情況；課程設計周表現(xiàn)情況；總評成績記入“課程設計成績評分表”。二、進度安排第 1周-2周，具體安排如下：星期時間班級內(nèi)容地點第1周一8：0011：50計算機1001任務安排E-510三14：3018：20計算機1001接線E-510四14：3018：20計算機1001調(diào)試E-510五14：3018：20計算機1001系統(tǒng)調(diào)試實現(xiàn)E-510接線E-510調(diào)試E-510系統(tǒng)調(diào)試實現(xiàn)E-510 目錄一、 課題的主要功能1二、 總體設計方案21 復雜模型機的邏輯框圖22 用框圖語言表示模型機的指令執(zhí)行流程3三、 數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設計41 數(shù)據(jù)格式42 模型機的尋址方式43 指令格式5四、 指令和和微程序的設計71 指令系統(tǒng)72 修改微指令7五、 線路連接圖9六、 微程序流程及說明101 微程序運行截圖102 源程序清單14七、 課程設計的收獲及體會.17八、 參考資料181、 課題的主要功能此次課題的功能為先將數(shù)的兩個數(shù)進行加法運算，然后將第一個數(shù)進行邏輯右移得到一個新的數(shù)目，再用加法運算得到的和減去該數(shù)，最后將結(jié)果輸出。目的是完整設計一臺模型計算機，進一步建立整機的概念。借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運算器單元，控制存儲器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時序信號單元，寄存器組，總線，輸入輸出單元等，用微程序的方式設計一臺的模型計算機。設計包括模型計算機組成的設計，指令系統(tǒng)的設計，并用匯編語言完成設計并調(diào)試成功因此我們先通過一個復雜模型機的設計實驗來進行實際的計算機設計和實現(xiàn)，然后安排了用CPLD 來實現(xiàn)一個CPU 中的大部分功能的設計實驗，接著討論了輸入輸出系統(tǒng)的概念、分類、接口、尋址、基本控制方式等，根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應的二進制代碼，寫入到控制存儲器中的相應單元中。在總調(diào)試前，先按功能模塊進行組裝和分調(diào)，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的運行正確。當所有功能模塊都調(diào)試正常后，進入總調(diào)試。連接所有模塊，用單步微指令方式執(zhí)行機器指令的微程序流程圖，當全部微程序流程圖檢查完后，若運行結(jié)果正確，則在內(nèi)存中裝入一段機器指令，進行其他的運行方式等功能調(diào)試及執(zhí)行指令的正確性驗證。在驗證正確后再自己修改幾條微程序，再調(diào)試驗證是否達到自己的目的。2、 總體設計方案1 復雜模型機的邏輯框圖 以控制器為中心，首控制器從指令寄存器取得指令，編譯指令，再輸出微控制信號，控制ALU的運算，PC加一，并且從RAM中取出數(shù)據(jù)運算，運算后再把結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線存到RAM，在指令寄存器讀去下一條指令，依次循環(huán)。 圖1.1 復雜模型計算機邏輯框圖2 用框圖語言表示模型機的指令執(zhí)行流程圖2.1 模型計算機邏輯框圖3、 數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設計1 數(shù)據(jù)格式模型機規(guī)定采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，且字長為位，其格式如下： 符號尾 數(shù)其中第 7 位為符號位，相對于十進制數(shù)值表示范圍是：2 7X2 71。 2 模型機的尋址方式操作數(shù)的尋址就是尋找形成操作數(shù)在主存中的地址的方法。設指令格式如下：操作碼（OP） 尋址特征 形式地址形式地址（D）：指令地址字段中給出的地址。 有效地址（EA）：形式地址經(jīng)過一定計算而得到的操作數(shù)的實際地址。 常用尋址方式如下： (1)隱含尋址：指令中不指出操作數(shù)的地址，而是隱含在累加器或堆棧等，由它們給出操作數(shù)。 (2)立即尋址：指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身。即數(shù)據(jù) data = D。 (3) 直接尋址：操作數(shù)的地址直接在指令中給出，即操作數(shù)的有效地址為 EA = D。 (4)間接尋址：指令的形成地址 D 在主存相應單元中的內(nèi)容是操作數(shù)的地址，即操作數(shù)的有效地址為 EA =（D）。 (5)寄存器尋址：指令中給出的是寄存器號 R，操作數(shù)就是寄存器中的內(nèi)容，即 data=（R）。 (6) 寄存器間接尋址：指令中給出的是寄存器號 R，而操作數(shù)的地址就是寄存器中的內(nèi)容，即 EA =（R）。 (7)相對尋址：操作數(shù)地址為程序計數(shù)器 PC 中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以補碼形式給出，可正可負。即 EA=（PC）+D。 (8) 基址尋址：操作數(shù)地址為基址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 +D(9)變址尋址：操作數(shù)地址為變址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和。 3 指令格式由于本模型機機器字長只有8位二進制長度，故使用單字長指令和雙字長指令。根據(jù)要求,設計該模型機能執(zhí)行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1) 算術(shù)邏輯運算指令 9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表 7.2-1。 表 7.2-1算術(shù)邏輯運算指令用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下： OP-CODErsrd其中，OP-CODE 為操作碼，rs 為源寄存器，rd 為目的寄存器，并規(guī)定：Rs 或 rd選定的寄存器000110R0R1R2 (2) 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令 模型機設計 2 條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2 條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為： 7 65 43 21 000MOP-CODERD D其中，OP-CODE 為操作碼，rd 為目的寄存器地址（LDA、STA 指令使用）。D 為位移量 （正負均可），M 為尋址模式，其定義如下： 尋址模式 M有效地址 E說 明 00 01 10 11 E= D E=（D） E=（RI）+D E=（PC）+D 直接尋址 間接尋址 RI 變址尋址 相對尋址 (3) I/O 指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： 其中，addr=01 時，選中“INPUT DEVICE”中的開關組作為輸入設備，addr=10 時，選中“OUTPUT DEVICE”中的數(shù)碼塊作為輸出設備。(4) 停機指令指令格式如下：HALT 指令，用于實現(xiàn)停機操作。4、 指令和和微程序的設計1 指令系統(tǒng) 本模型機共有16 條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令條，輸入輸出指令條，其它指令1 條。表X列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。按照系統(tǒng)建議的微指令格式，參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表， 表X 即為將圖X微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。并將二進制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機操作時的十六進制格式文件，見下表X。2423222120191817161514 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A5要求,同一小組的每個同學必須分析一條不同的機器指令的微程序的組成,說明組成該機器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號的組成)。2 修改微指令 確定要修改的機器指令，從指令系統(tǒng)能夠中找到該指令的指令格式，修改rs或者rd來修改機器指令。從微程序流程圖中找到條需要修改的機器指令，明白該條機器指令由幾條微指令組成，取需修改的微指令的序號，把序號先換成八進制，再換成十六進制；從源程序清單中找到換成的十六進制序號，取序號后面的六位數(shù)。把六位數(shù)中的前兩位數(shù)換成十六進制，在74LS181 的邏輯功能表中看第一位數(shù)的十六進制（即S3 S2 S1 S0）與微指令操作是否相符，以確認方法無誤。然后把需修改的微指令中的S3 S2 S1 S0修改為想要的微指令的S3 S2 S1 S0。把第2位數(shù)的十六進制的前2個（即M Cn）進行修改。算術(shù)運算M=0，邏輯運算則M=1.有進位Cn=0，無進位Cn=1.把修改后的結(jié)果寫入源程序中即可。5、 線路連接圖圖5.1 復雜模型計算機邏輯框圖6、 微程序流程及說明1 微程序運行截圖 指令區(qū)截圖 圖 6.1 通過取址把第一個操作數(shù)存入到R0 圖 6.2 通過MOV指令把R0中的數(shù)送到R1，此時R1變成06 圖 6.3 通過取址把第二個操作數(shù)存入到R2 圖 6.4 把R2，R1的值送到運算器中并運算，并把運算結(jié)果存入R1 圖 6.5 把R0中的數(shù)送到299芯片中進行右移，把右移后的結(jié)果送到R0中。 圖6.6 把經(jīng)過上述步驟后R0，R1的值送到運算器中并運算，并把運算結(jié)果存入R0 圖6.7 將R0中的最終運算結(jié)果輸出 圖6.82 源程序清單 $P0044 $P0181 $P0246 $P0399 $P04E0 $P05A4 $P0658 $P070C $P0800 $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 $M2B959B41 $M2C01A42D $M2D65AB6E $M2E0D9A01 $M2F01AA30 $M300D8171 $M31959B41 $M32019A01 $M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41 $M360D9A01 $M37298838 $M38019801 $M3919883A $M3A019801 $M3B070A08 $M3C068A097、 課程設計的收獲及體會 這次課程設計對于我個人有很大的收獲，對于復雜模型計算機的設計有了一定的了解，意識到專業(yè)知識的重要性，要想學好一定要下狠功夫，沒有付出，怎有回報，同時也體會到理論的知識的理解必須依靠實踐是的有力結(jié)合，才能對