計算機組成原理課程設計帶進位運算指令的實現(xiàn)

1、學 號： 0120810340113課 程 設 計課程名稱計算機組成原理題 目帶進位運算指令的實現(xiàn)學 院計算機科學與技術學院專 業(yè)計算機科學與技術班 級姓 名指導教師2010年1月10日目 錄課程設計任務書11、設計原理11.1 實驗原理11.2 實驗目的11.3 模型機的邏輯框圖21.4 指令類型及格式31.5 微指令與微程序介紹41.6 后續(xù)微地址的產生及微程序入口地址的形成52、調試過程與數(shù)據記錄52.1 源程序代碼5 2.2 指令碼6 2.3 微程序6 2.4 微單步運行過程7 2.5 時序圖103、設計心得114、參考文獻12課程設計任務書學生姓名： 趙旭林 專業(yè)班級： 計算機 指導

2、教師： 馬保才 工作單位：計算機科學與技術學院題 目: 基本模型機的設計帶進位運算指令的實現(xiàn)初始條件： 理論：學完“電工電子學”、“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設計”、和“計算機組成原理”課程，掌握計算機組成原理實驗平臺的使用。實踐：計算機學院科學系實驗中心提供計算機、實驗的軟件、硬件平臺，在實驗中心硬件平臺驗證設計結果。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、基本模型機系統(tǒng)分析與設計，利用所學的計算機組成原理課程中的知識和提供的實驗平臺完成設計任務，從而建立清晰完整的整機概念。2、根據課程設計題目的要求，編制實驗所需的程序，上機測試并分析所設計的程

3、序。3、課程設計的書寫報告應包括： （1）課程設計的題目。 （2）設計的目的及設計原理。 （3）根據設計要求給出模型機的邏輯框圖。 （4）設計指令系統(tǒng)，并分析指令格式。 （5）設計微程序及其實現(xiàn)的方法（包括微指令格式的設計，后續(xù)微地址的產生方法以及微程序入口地址的形成）。 （6）模型機當中時序的設計安排。 （7）設計指令執(zhí)行流程。 （8）給出編制的源程序,寫出程序的指令代碼及微程序。 （9）說明在使用軟件hkcpt的聯(lián)機方式與脫機方式的實現(xiàn)過程（包括編制程序中帶進位運算指令的時序分析，累加器a和有關寄存器、存儲器的數(shù)據變化以及數(shù)據流程）。（10）課程設計總結（設計的特點、不足、收獲與體會）。時

4、間安排： 周一：熟悉相關資料。 周二：系統(tǒng)分析,設計程序。 周三、四：編程并上實驗平臺調試 周五：撰寫課程設計報告。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日計算機組成原理課程設計 - 帶進位運算指令的實現(xiàn)1設計原理1.1 實驗原理在以往各個模塊實驗中，各模塊的控制信號都是由實驗者手動產生的。而在真正的實驗系統(tǒng)中，模擬機的運行是在微程序的控制下，實現(xiàn)特定指令的功能。在本實驗平臺中，模型機從內存取出、解釋、執(zhí)行機器指令都將由微指令和與之相配合的時序來完成，即1條機器指令對應1個微程序。本次實驗完成，依靠判斷進位位cy是否溢出，若低位位運算有溢出，則將結果存入低地址，并且在兩

5、高位運算時，將低位的進位值也參與運算，若高位運算溢出，則不在主存ram中給予保存。實驗提供了四條帶進位的運算指令：rrc a 將a寄存器中的內容帶進位位一起循環(huán)右移rlc a 將a寄存器的的內容帶進位位一起循環(huán)左移add a, ri 將a寄存器的內容與ri的內容相加，如果加法溢出將進位到cyjc addr 條件跳轉指令，如果進位位cy溢出，跳轉到addrjmp addr 無條件跳轉指令，跳轉到addr1.2設計目的 1. 掌握了各個單元模塊的工作原理，進一步將其組成完整的系統(tǒng)，構成一臺基本的模型計算機。 2. 在本實驗中，我們將規(guī)劃讀寫內存、寄存器、數(shù)值計算等功能，并且編寫相應的微程序。請具體

6、上機調試各個模塊單元以便進一步掌握整機的概念。 3. 本實驗是為了實驗一組4位16進制數(shù)的運算，例如r1r0，將其中保存的數(shù)據作為一組表示一個整體的數(shù)，來參與運算，如r1=55h， r0=66h。則認為r1r0為5566h來參與與其它4位16進制數(shù)的運算。并將得出的結果存在主存中兩個連續(xù)的單元中，高位存高地址，低位存低地址。1.3 模型機的邏輯框圖1.4 指令類型及格式1. 指令類型1.算術/邏輯運算類指令： 如：加法，減法，取反，邏輯運算 add a， ri sub a, ri2.移位操作類指令：帶進位或不帶進位的移位指令 rrc a3.數(shù)據傳送類指令：cpu內部寄存器之間數(shù)據傳遞mov a

7、，rimov ri，a4.程序跳轉指令：跳轉指令分為無條件跳轉和有條件跳轉指令 jmp addr 無條件跳轉 jc addr cy=1 時跳轉5. 存儲器操作類指令：存儲器讀/寫指令。把內存某單元內容寫入寄存器中或把寄存器的內容寫入存儲器，如： lda addr sta addr sta addr （a）- addr2. 指令類型1.直接地址尋址： 雙字節(jié)指令： lda addr （addr）- a sta addr （a）- addr1716151413121110第1字節(jié) 操作碼 a7a6a5a4a2a2a1a0第2字節(jié) 操作數(shù)地址addr 2.寄存器直接尋址：指令字節(jié)中含有寄存器選擇碼，

8、決定選擇哪個寄存器進行操作。如：單字節(jié)指令 ： mov a，ri （ri）-a1716151413121110 單字節(jié) 操作碼與ri選擇碼如：雙字節(jié)指令： mov ri，#data data- ri1716151413121110第1字節(jié) 操作碼與ri選擇碼第2字節(jié) datad7d6d5d4d2d2d1d0 3.寄存器間接尋址：如：單字節(jié)指令： mov a，ri （ri）-a 1716151413121110 操作碼 ri選擇碼 4.立即數(shù)尋址： 如： mov a，#data data- a mov ri，#data data- ri1716151413121110第1字節(jié) 操作碼與ri選擇碼

9、d7d6d5d4d2d2d1d0第2字節(jié) data1.5 微指令與微程序介紹 在計算機中，一條指令功能是由控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行部件接受命令時，按一定的次序執(zhí)行一系列最基本操作完成。這些控制命令通常稱為微命令，而最基本的操作稱為微操作。1. 微指令在微操作控制的計算機中，將在cpu周期中使計算機實現(xiàn)一定操作功能的一組微命令的集合稱為微指令。微指令是為實現(xiàn)某個操作功能而發(fā)出的控制信號的有關信息形成的。一條指令通常分為若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。微程序2. 微程序計算機的程序由指令序列構成。而計算機每條指令的功能均由指令序列解釋完成，這些微

10、指令序列的集合稱為微程序。 1.6 后續(xù)微地址的產生以及微程序入口地址的形成微地址的運行順序為下地址確定法，即采用計數(shù)增量方法，每條微指令執(zhí)行過后微地址自動加1，指向下一條微指令地址。例如：確定了一條程序的微程序入口地址為01h，那么當執(zhí)行完01h這條微指令后微地址加1，指向02h微地址。微地址寄存器由2片74ls161組成，當模型機在停止狀態(tài)下，微地址被清零。當實驗平臺開始運行時，微地址從00h開始運行。且00h放置一條取指指令，根據程序開始地址從內存中讀出第一條指令。2、 數(shù)據記錄2.1 源程序代碼帶進位運算指令的實現(xiàn)mov a,#81rrc amov a,#18mov r0,#40mov

11、 a,#18rlc aadd a,r0jc 10jmp 0asta 20halt2.2 指令碼 圖表2 源程序中每條指令對應的指令碼內存地址指令助記符指令碼說明00hmov a, #815fh立即數(shù)81h-a01h81h無效02hrrc a9fha103hmov a,#185fh立即數(shù)18h-a04h18h05hrlc aafha寄存器r007h40h08hmov a,#185fh立即數(shù)18h-a09h18h0ahrlc aafhaa0chjc 10b7hcy有進位，跳轉到0fh0dh10h0ehjmp 0abfh跳轉到0ah0fh0ah10hsta 208fh將a的內容寫入ram地址20h1

12、1h20h12hhaltffh停機2.3 微程序微程序的執(zhí)行過程：0000 4d ，ff ，ff 取指指令 0017 dd ，fb ，ff dbusa 0018 4d ，ff ，ff 0027 ff ，f1 ，ef a1 0028 4d ，ff ，ff 取指指令 0017 dd ，fb ，ff dbusa0018 4d ，ff ，ff 002b ff ，e9 ，ff ari001c 4d ，ff， ff ridbusa0017 dd ，fb ，ff dbusa0018 4d ，ff ，ff002b ff ，e9 ，ff abus-dr10006 4d ，ff， ff 取指002f d4， ff

13、 ，ff dbus-ir20030 4d， ff， ff ir2-abus002f d4 ，ff ，ff dbuspc003f ff ，df ，ff 停機2.4 微單步運行過程 圖表3 微單步運行過程微地址數(shù)據流程指令碼數(shù)據總線地址總線操作數(shù)寄存器ooh取指微指令ram-bus-ir15fh00hir1 = 5fhmov a, #8117hbus-a81h01ha=81h18h取指微指令 ram-bus-ir19fh02hir1=9fhrrc a27ha140ha=40,cy溢出28h取指微指令 ram-bus-ir15fh03hir1=0chmov a,#1817hbus-a18h04ha=

14、18h18h取指微指令 ram-bus-ir1afh05hir1=afhrlc a2bhabus-ir16ch06hir1=6chmov a,#401bhbus-寄存器r040h07hr0=40h1ch取指微指令 ram-bus-ir15fh08hir1=5fhmov a,#182bhbus-a18h09ha=18h2ch取指微指令 ram-bus-ir1afh0ahir1=afhrlc a2bhabus-ir10ch0bhir1=0chadd a, r003ha-dr130hdr1=30h04hr0-dr240hd32=40h05halu-a70halu=70 cy無溢出06h取指微指令 r

15、am-bus-ir1b7h0chir1=b7hjc 0f2fhram-bus-ir210h0dhir2=10h30h取指微指令 ram-bus-ir1bfhoehcy無溢出jmp 0a2fhram-bus-ir20ah0fhir2=oah30h取指微指令 ram-bus-ir1afh0ah跳轉到oah2bhabus-ir10ch0bhir1=0chadd a, r003ha-dr1e0hdr1=e0h04hr0-dr240hdr2=40h05halu-a20halu=70 cy無溢出06h取指微指令 ram-bus-ir1bfh0chir1=b7hjc 0fjc 0f2fhram-bus-ir

16、210h0dhir2=10h30h取指微指令 ram-bus-ir18fh10hcy有溢出sta 2023hram-busir220h11hir2=20h24ha-ram(20h)20h20hram(20)=2025h取指微指令 ram-bus-ir18fh10hcy有溢出halt3fh停機停機2.5 時序圖pls1： 微地址寄存器的工作脈沖，用來設置微程序的首地址及微地址加1.pls2： pc計數(shù)器的工作脈沖，根據微指令的控制實現(xiàn)pc計數(shù)器的首地址及微地址和重置pc計數(shù)器（跳轉指令）等功能。pls3： 把24位微指令打入3片微指令鎖存器。pls4： 把當前總線上的數(shù)據打入微指令選通的寄存器中

17、。典型代碼的時序圖如下：0018 微指令(取指微指令 ram-bus-ir1)的時序圖如下：0003 微指令(a-dbus-鎖存器dr1)的時序圖如下3、設計心得1. 次的課程設計是當場完成當場驗收，所以時間比較緊。由于之前的準備不足，導致了剛開始做的時候出現(xiàn)了很多問題，包括最基本的連線，軟件操作都出現(xiàn)了一些基本錯誤。這讓我充分意識到在做課程設計之前要做好充分的準備工作，包括了解原理、流程、操作步驟等等。這樣在做實驗的時候就不會手忙腳亂而出現(xiàn)很多基本的錯誤了。2. 在上計算機組成原理課程的時候都是學習原理方面的知識，而課程設計需要運用平時學過的知識來實踐。這次課程設計讓我明白了平時不應該死讀書，而是應該多把學到的知識運用到實踐當中，活學活用才能最根本的掌握知識。3.