課程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)雜模型機(jī)的組成與運(yùn)行

1、 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目五題目五: :復(fù)雜模型機(jī)的組成與運(yùn)行復(fù)雜模型機(jī)的組成與運(yùn)行 姓姓 名名學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)班班 級(jí)級(jí)0808計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)漢師范班計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)漢師范班指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師職稱職稱講師講師日日 期期20112011年年7 7月月 1515日日 目目 錄錄1 任務(wù)描述任務(wù)描述.21.1 題目名稱.21.2 要 求.21.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?22 設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)備.23 設(shè)計(jì)原理和方法設(shè)計(jì)原理和方法.23.1 設(shè)計(jì)原理.23.1.1 數(shù)據(jù)格式.23.1.2 指令設(shè)計(jì).23.1.3 指令格式.33.1.4 指令系統(tǒng).43.2 設(shè)計(jì)依據(jù).53.2.1 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2、.53.3.2 實(shí)驗(yàn)操作.74 代碼清單代碼清單.84.1 微程序流圖.84.2 機(jī)器指令代碼.94.3 微程序代碼.105 設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果分析設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果分析.125.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：.125.2 出錯(cuò)情況：.126 設(shè)計(jì)小結(jié)設(shè)計(jì)小結(jié).127致謝致謝.138參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).14附錄一：數(shù)據(jù)通路框圖附錄一：數(shù)據(jù)通路框圖.15附錄二：復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)電路連線圖附錄二：復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)電路連線圖.16題目五題目五 復(fù)雜模型機(jī)的組成與程序運(yùn)行復(fù)雜模型機(jī)的組成與程序運(yùn)行11 任務(wù)描述任務(wù)描述 1.11.1 題目名稱題目名稱：復(fù)雜模型機(jī)的組成與程序運(yùn)行1.21.2 要要 求求：基于 td-cma 計(jì)算機(jī)組成原

3、理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)模型機(jī)，分析其工作原理。根據(jù)模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路以及微程序控制器的工作原理，設(shè)計(jì)完成以下幾條機(jī)器指令和相應(yīng)的微程序，輸入程序并運(yùn)行。in r0，00h ；從端口00h讀入計(jì)數(shù)初值到r0ldi r2，50h ；讀入數(shù)據(jù)始地址ldi r1，00h ；累加和初值00h start: lad 10，00h，r3 ；從mem 讀入數(shù)據(jù)送r3，變址尋址，偏移量為00h add r1，r3 ；累加求和inc ri ；變址寄存加1，指向下一數(shù)據(jù)ldi r3, 01h ；送立即數(shù)入r3sub r0, r3 ；r0-r3 -r0，與上一條指令一起實(shí)現(xiàn)dec r0bzc res

4、ult ；為0 則跳轉(zhuǎn)jmp start ；跳轉(zhuǎn)至startresult: out 40h，r1 ；和在out 單元顯示hlt ；停機(jī)50h、51h、52h、53h、54h單元內(nèi)容分別為02h、03h、04h、05h、06h。 1.31.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康模涸搶?shí)驗(yàn)通過從端口 00h 讀入一個(gè)計(jì)數(shù)初值，以該計(jì)數(shù)初值為基準(zhǔn)從mem 的 50h 單元開始的連續(xù)的計(jì)數(shù)初值個(gè)數(shù)的累加和，最后將求得的累加和從端口 40h輸出顯示。2 2 設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：西安唐都科教儀器公司生產(chǎn)的td-cma 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套，pc機(jī)一臺(tái)，數(shù)據(jù)連接導(dǎo)線若干，電源。3 3 設(shè)計(jì)原理和方法設(shè)計(jì)原理和方法 通過已經(jīng)學(xué)過

5、的計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)，在td-cma實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜模型機(jī)。 3.13.1 設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理3.1.13.1.1 數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長(zhǎng)為位，8 位全用來表示數(shù)據(jù)（最高位不表示符號(hào)），數(shù)值表示范圍是： 0x281。3.1.23.1.2 指令設(shè)計(jì)指令設(shè)計(jì)該復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)包含運(yùn)算類指令、控制類指令、數(shù)據(jù)傳輸類指令三大類指令。運(yùn)算類指令僅用到了算術(shù)運(yùn)算，算術(shù)運(yùn)算設(shè)計(jì)有3 條運(yùn)算類指令，分別為：add（兩寄存器值加法）、inc（寄存器值自加1）、sub（兩寄存器值減法）。所有運(yùn)算類指令都為單字節(jié)，尋址方式采用寄存器直接尋址。控制轉(zhuǎn)移類指令有三條hlt（停機(jī)）、

6、jmp（無條件跳轉(zhuǎn)到指定的指令地址）、bzc（判斷寄存器內(nèi)容是否為0，為0則跳轉(zhuǎn)到指定的指令地址），用以控制程序的分支和轉(zhuǎn)移，其中hlt為單字節(jié)指令，jmp 和bzc 為雙字節(jié)指令。數(shù)據(jù)傳送類指令有in、out、ldi、lad、sta 共5 條，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和i/o、寄存器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換，均為雙字節(jié)指令。 3.1.33.1.3 指令格式指令格式 a、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令格式如下格式如下 其中rs為源操作數(shù)寄存器，rd為目的操作數(shù)寄存器。并且規(guī)定了用兩位二進(jìn)制數(shù)來表示r0、r1、r2、r3寄存器，規(guī)定其表示方式如下表所示： b、i/o指令格式（in和out指令）如下 其中括

7、號(hào)中的1 表示指令的第一字節(jié)，2 表示指令的第二字節(jié)， rs為源寄存器，rd 為目的寄存器， i/o 端口號(hào)占用一個(gè)字節(jié)。c、訪問指令及控制轉(zhuǎn)移指令格式如下： a、 ldi 的指令格式如下，第一字節(jié)同前一樣，第二字節(jié)為立即數(shù)。 b、lad、sta、jmp 和bzc 指令格式如下表所示：7 6 5 4 3 21 0操作碼rsrdrs或rd對(duì)應(yīng)的寄存器 00 r0 01 r1 10 r2 11 r37 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作碼rsrd i/o端口號(hào)7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作碼rs

8、rd data其中m 為尋址模式，具體見表3-1-1所示，以r2 做為變址寄存器ri。表3.1.1 尋址模式說明表尋址模式 m有效地址 e說 明00e = d直接尋址01e = (d)間接尋址10e = (ri) + dri變址尋址11e = (pc) + d相對(duì)尋址d、停機(jī)指令格式如下7 6 5 4 3 2 1 0 操作碼* * *3.1.43.1.4 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)本模型機(jī)共有 11 條基本指令，其中算術(shù)邏輯運(yùn)算單元3條，分別為sub、add、inc.控制轉(zhuǎn)移指令兩條，分別為jmp、bzc.輸入輸出指令兩條，分別為in和out。尋址數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令兩條，分別為ldi、lad。停機(jī)指令一條，為

9、halt.表3-1-2 列出了各條指令的匯編符號(hào)、指令格式及指令功能說明。詳細(xì)說明見表3.1.2。 表3.1.2 指令描述表3.1.2 指令描述7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作碼mrd d3.23.2 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)該復(fù)雜模型機(jī)通過已經(jīng)學(xué)過的計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)，根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的機(jī)器指令，根據(jù)機(jī)器指令，由各種譯碼電路分析各條機(jī)器指令所要完成的工作，翻譯分析得到相應(yīng)的多條微程序指令，由微程序控制硬件及軟件完成相應(yīng)的操作。其中由p(1)、p(2)、p（3）測(cè)試得到相應(yīng)的微程序入口，由微指令的低六位得到微指令的后繼地址，一直到執(zhí)行

10、完所有的機(jī)器指令完成相應(yīng)的工作，到停機(jī)指令為止。3.2.13.2.1 詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)由于復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)的指令較多，尋址方式也較復(fù)雜，僅采用一種測(cè)試是不能夠滿足要求的，因此參照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上的指令譯碼電路設(shè)計(jì)了電路圖，如圖2二所示： 圖二 指令譯碼原理圖該復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)涉及到四個(gè)通用寄存器r0、r1、r2、r3，對(duì)寄存器的選擇通過對(duì)指令低四位進(jìn)行測(cè)試，判斷得到相應(yīng)的寄存器號(hào)。如：涉及到寄存器r0，則可能在低兩位或者低三、四位為0表示。該功能寄存器譯碼電路，在ir 單元的reg_dec（gal16v8）中實(shí)現(xiàn)。譯碼電路如圖三所示。 圖三 寄存器譯碼原理圖b 微指令格式微指令格式根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)要求，

11、設(shè)計(jì)確定微地址。微指令格式如下所示：232221201918-1514-1211-98-65-0m32cnwrrdioms3-s0a字段b字段c字段ua5-ua0 c 二進(jìn)制代碼表二進(jìn)制代碼表參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進(jìn)制代碼表（表3.1.3），并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時(shí)的十六進(jìn)制格式文件。 表3.1.3 二進(jìn)制代碼表3.3.23.3.2 實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)操作a 復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)連線圖復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)連線圖（見附錄一）（見附錄一） 該實(shí)驗(yàn)圖是復(fù)雜模型機(jī)在根據(jù)設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的（此處借鑒了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的復(fù)雜模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)連線圖） 。b 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟在該復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)

12、中，我采用的是聯(lián)機(jī)寫入和校驗(yàn)的方式。1根據(jù)實(shí)驗(yàn)連線圖（見附錄二）正確連接電路。2聯(lián)機(jī)寫入和校驗(yàn)聯(lián)機(jī)軟件提供了微程序和機(jī)器程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫微程序和機(jī)器程序，但是微程序和機(jī)器程序得以指定的格式寫入到以txt 為后綴的文件中，本次實(shí)驗(yàn)程序見代碼清單，程序中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉。在軟件界面上可以通過單步、單拍、運(yùn)行、結(jié)束等按鈕執(zhí)行程序。記錄運(yùn)行結(jié)果。4 4 代碼清單代碼清單 4.14.1 微程序流圖微程序流圖 圖 1 微程序流圖微程序流程圖說明了微指令執(zhí)行過程中指令流和數(shù)據(jù)流的方向。能更具體地看到具體的指令流和數(shù)據(jù)流的起點(diǎn)和和終點(diǎn)。其中起點(diǎn)可能是 pc 程序計(jì)數(shù)

13、器、ar 地址寄存器、主存 mem、通用寄存器 r0、r1、r2、r3、in 端口等。終點(diǎn)可能是 ar、mem、out 端口、暫存器 a、b 等。4.24.2 機(jī)器指令代碼機(jī)器指令代碼; /* start of main memory data */;/*其中地址和機(jī)器指令均為十六進(jìn)制*/;/地址 機(jī)器指令 助記符 功能描述說明$p 00 20 ; in r0,00h 從 in 單元讀入計(jì)數(shù)初值$p 01 00 $p 02 62 ; ldi r2,50h 立即數(shù) 50h 送 r1$p 03 50$p 04 61 ; ldi r1,00h 裝入和初值 00h$p 05 00 $p 06 cb ;

14、start: lad 10,00h,r3 從 mem 讀入數(shù)據(jù)送 r3，變址尋址，偏移量為 00h $p 07 00 $p 08 0d ; add r1,r3 累加求和$p 09 72 ; inc ri 變址寄存加 1，指向下一數(shù)據(jù) $p 0a 63 ; ldi r3,01h 送立即數(shù) 01h 入 r3$p 0b 01 $p 0c 8c ; sub r0,r3 dec r0，r0-r3-r0$p 0d f0 ; bzc result 為 0 跳轉(zhuǎn)到 result 處。$p 0e 11 ;$p 0f e0 ; jmp start 無條件跳轉(zhuǎn)到 start 處。$p 10 06$p 11 34 ;

15、result:out 40h,r1 從端口 40 將所求得的累加和輸出顯示$p 12 40$p 13 50 ; hlt 停機(jī)$p 50 02 ; 數(shù)據(jù)$p 51 03$p 52 04$p 53 05$p 54 06$p 55 07; /* end of main memory data */4.34.3 微程序代碼微程序代碼; /* start of microcontroller data */;/*其中地址和微指令均為十六進(jìn)制*/;/地址 微指令 操作*/$m 00 000001 ; nop$m 01 006d43 ; pc-ar, pc 加 1$m 03 107070 ; mem-ir,

16、 p$m 04 002405 ; rs-b$m 05 04b201 ; a 加 b-rd$m 06 002407 ; rs-b$m 07 013201 ; a 與 b-rd$m 08 106009 ; mem-ar$m 09 183001 ; io-rd$m 0a 106010 ; mem-ar$m 0b 000001 ; nop$m 0c 103001 ; mem-rd$m 0d 200601 ; rd-mem$m 0e 005341 ; a-pc$m 0f 0000cb ; nop, p$m 10 280401 ; rs-io$m 11 103001 ; mem-rd$m 12 06b20

17、1 ; a 加 1-rd$m 13 002414 ; rs-b$m 14 05b201 ; a 減 b-rd$m 15 002416 ; rs-b$m 16 01b201 ; a 或 b-rd$m 17 002418 ; rs-b$m 18 02b201 ; a 右環(huán)移-rd$m 1b 005341 ; a-pc$m 1c 10101d ; mem-a$m 1d 10608c ; mem-ar, p$m 1e 10601f ; mem-ar$m 1f 101020 ; mem-a$m 20 10608c ; mem-ar, p$m 28 101029 ; mem-a$m 29 00282a ;

18、 ri-b$m 2a 04e22b ; a 加 b-ar$m 2b 04928c ; a 加 b-a, p$m 2c 10102d ; mem-a$m 2d 002c2e ; pc-b$m 2e 04e22f ; a 加 b-ar$m 2f 04928c ; a 加 b-a, p$m 30 001604 ; rd-a$m 31 001606 ; rd-a$m 32 006d48 ; pc-ar, pc 加 1$m 33 006d4a ; pc-ar, pc 加 1$m 34 003401 ; rs-rd$m 35 000035 ; nop$m 36 006d51 ; pc-ar, pc 加 1

19、$m 37 001612 ; rd-a$m 38 001613 ; rd-a$m 39 001615 ; rd-a$m 3a 001617 ; rd-a$m 3b 000001 ; nop$m 3c 006d5c ; pc-ar, pc 加 1$m 3d 006d5e ; pc-ar, pc 加 1$m 3e 006d68 ; pc-ar, pc 加 1$m 3f 006d6c ; pc-ar, pc 加 1; /* end of microcontroller data */5 5 設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果分析設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果分析 5.15.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：本實(shí)驗(yàn)通過復(fù)雜模型機(jī)實(shí)現(xiàn)了從

20、內(nèi)存50h單元開始的幾個(gè)數(shù)據(jù)的累加求和。從in單元的ooh端口輸入數(shù)4，實(shí)現(xiàn)了從50h單元開始的2、3、4、5的求和，求得的累加和的結(jié)果在out單元的40h端口輸出，輸出結(jié)果為“0eh”.結(jié)果與用筆在所編程序上得結(jié)果相符。該結(jié)果驗(yàn)證了程序的正確性。5.25.2 出錯(cuò)情況：出錯(cuò)情況：出錯(cuò)原因：解決方法：對(duì)所設(shè)計(jì)題目的運(yùn)行結(jié)果給出盡可能全面的分析，包括出錯(cuò)情況和出錯(cuò)原因分析6 6 設(shè)計(jì)小結(jié)設(shè)計(jì)小結(jié) 通過課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)計(jì)算機(jī)整機(jī)的綜合理解，掌握微程序控制器的組成原理以及微程序的編制、調(diào)試技術(shù)及模型機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法，強(qiáng)化設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門非常重要的課

21、程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)習(xí)中起著相當(dāng)重要的作用，是掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)和計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理過程的理論基礎(chǔ)，因此，本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理所學(xué)理論知識(shí)的一次大檢閱，是集知識(shí)的綜合應(yīng)用和動(dòng)手能力于一體的一次大型的演練。通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理，以及他們之間的通信方式 ，微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制、調(diào)試以及執(zhí)行等過程在理論的基礎(chǔ)上面有了更加深刻的理解，并加深了對(duì)理論課程的理解。在實(shí)踐過程中，老師的指導(dǎo)，與其他同學(xué)相互協(xié)作、相互交流，加強(qiáng)了我們之間的團(tuán)隊(duì)精神，并從以下幾方面得到較深體會(huì)：1、加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí) 本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用的原理是微程序控制的控制器工作原理。計(jì)算

22、機(jī)所識(shí)別的全部指令都是由微指令組成的微程序，指令的執(zhí)行是通過來執(zhí)行相應(yīng)的微程序來完成的。實(shí)驗(yàn)中將所要求的所有指令變成對(duì)應(yīng)的微程序，寫入控制存儲(chǔ)器中，以后在執(zhí)行用戶程序的過程中，每次都先從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出一條機(jī)器指令，其解釋執(zhí)行過程都是從控制存儲(chǔ)器中讀出相應(yīng)的微程序，執(zhí)行每條微指令的過程。2、熟悉了微程序流程圖的畫法和微指令的設(shè)計(jì)方法畫微程序流程圖，要先確立每條機(jī)器指令所需要的微周期數(shù)，此時(shí)要注意遵循確立的原則。即寫總線的微操作不能安排在同一條微指令中；當(dāng)一微指令使用 t4 節(jié)拍時(shí)，其后續(xù)微操作不能與它安排在同一條微指令中；互斥微操作不能安排在同一條微指令中。3、對(duì)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有深刻的理解 這次課程設(shè)計(jì)提供了理論用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)，使我們真正弄懂了微指令的編寫過程。指令的構(gòu)成是設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)難點(diǎn)，我們一定要真正地弄懂它，進(jìn)而弄清楚指令的功能，理解整個(gè)設(shè)