計算機組成原理課程設(shè)計及代碼之復(fù)雜模型機設(shè)計

1、課程設(shè)計報告課程名稱： 計算機組成原理題目名稱： 復(fù)雜模型機設(shè)計專業(yè)名稱： 計算機科學(xué)與技術(shù)班 級： 2013240203學(xué)生姓名：李俊 同組同學(xué)：豐翔 王兆宇學(xué) 號：201324020311指導(dǎo)教師： 蘭勇完成時間： 2016年1月8 日 目錄一 、課程設(shè)計概述21.1 課程設(shè)計的教學(xué)目的21.2 課程設(shè)計任務(wù)和基本要求31.3 設(shè)計原理3二、 規(guī)定項目的實驗驗證32.1 設(shè)計原理32.2 操作步驟9三、 指定應(yīng)用項目的設(shè)計與實現(xiàn)143.1設(shè)計任務(wù)143.2任務(wù)分析以及解決方案14四、 收獲和體會154.1 我的收獲與體會15一 、課程設(shè)計概述1.1 課程設(shè)計的教學(xué)目的本課程設(shè)計的教學(xué)目的是

2、在掌握計算機系統(tǒng)組成及內(nèi)部工作機制、理解計算機各功能部件工作原理的基礎(chǔ)上，深入掌握數(shù)據(jù)信息流和控制信息流的方法，進一步加深對計算機系統(tǒng)各模塊間相互關(guān)系的認(rèn)識和整機的概念，培養(yǎng)開發(fā)和調(diào)試計算機的技能。在設(shè)計實踐中提高應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。1.2 課程設(shè)計任務(wù)和基本要求 本課程設(shè)計以TDCMA計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺完成。 1. 按給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，理解微程序控制器的設(shè)計原理。 2. 設(shè)計給定機器指令系統(tǒng)以及微程序流程圖，按微指令格式寫出微程序的微指令代碼。 3. 連接邏輯電路，完成啟動、測試、編程、校驗和運行，并觀測運行過程和結(jié)果。 4. 將微程序控制器模塊與

3、運算器模塊、存儲器模塊聯(lián)機，組成一臺模型計算機。 5. 用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。 6. 通過在模型機上運行有機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關(guān)系，建立計算機的整機概念，掌握計算機的控制機制。 7. 按指定應(yīng)用項目進行匯編指令格式及功能設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的機器指令代碼，按照模型機數(shù)據(jù)通路設(shè)計實現(xiàn)機器指令功能的微程序。在PC機上編輯機器指令和微程序，裝載代碼到TDCMA實驗系統(tǒng)并運行，實現(xiàn)應(yīng)用要求。1.3 設(shè)計原理在部件實驗中，我們是人為用二進制開關(guān)來模擬一些控制信號完成數(shù)據(jù)通路的控制。而在本課程設(shè)計中，數(shù)據(jù)通路的控制由微程序控制器來完成。計算機從內(nèi)存中取出一條機器指令到指

4、令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令的列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。二、 規(guī)定項目的實驗驗證2.1 設(shè)計原理機器指令格式：$P XX XX 機器指令標(biāo)志、十六進制地址、機器指令代碼微指令格式：$M XX XXXXXX 微指令標(biāo)志、十六進制地址、微指令代碼微指令代碼格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23CNWRRDIOMS3-S0ABCM5-M00進位讀寫ALU下一個地址CN代表進位WR、RD代表向MEM單元寫和讀IOM代表向IN或OUT單元讀寫S3-S0代表不同的運算A指定目的地址B指定原地址C代表P測試或指定目的地址為PC指針M5-M0代表下一個微指

5、令的地址（一共6位，所以最大值為3F）WR、RD、IOM的功能WRRDIOM功能000不涉及MEM、IN和OUT單元010從MEM單元讀數(shù)據(jù)011從IN單元讀數(shù)據(jù)100向MEM單元寫數(shù)據(jù)101向OUT單元寫數(shù)據(jù)S3S0以及CN的功能運算類型S3；S2；S1；S0CN功能邏輯運算0000XF=A0001XF=B0010XF=AB0011XF=A+B0100XF=B移位運算循環(huán)移位0101XF=A>>B01100F=A>>11F=A>>101110F=A<<11F=A<<1算數(shù)運算1000XFC=CN1001XF=A+B1010XF=A+

6、B+FC1011XF=A-B1100XF=A-11101XF=A+11110X1111XABC字段以及功能字段內(nèi)容功能A字段目的操作數(shù)000NOP001存入A010存入B011存入寄存器Ri（R0R3）101配合C字段的101，代表存入PC指針110存入地址寄存器AR111存入指令寄存器IRB字段源操作數(shù)000NOP001ALU寫入總線010RS寫入總線011RD寫入總線100RI寫入總線110配合C字段的101，代表PC寫入總線C字段P測試000NOP001P（1）010P（2）011P（3）101指令涉及PC尋址模式尋址模式M有效地址E說明00E=D直接尋址01E=(D)間接尋址10E=(

7、R2)+DR2變址尋址11E=(PC)+D相對尋址RS、RD的表示RS/RDRI00R001R110R211R3一般D表示立即數(shù)；P表示地址復(fù)雜模型機數(shù)據(jù)流圖微指令格式如表3所示，當(dāng)微指令格式確定之后，下一步就是確定后續(xù)微指令地當(dāng)微指令格式確定之后，下一步就是確定后續(xù)微指令址通常的方法是先確定微程序分支處的微地址，因為微程序分支處需要進行判斷測試，這些微地址確定以后，就可以在一個“微地址表”中將分支微地址填入相應(yīng)的分支微地址單元，避免以后的設(shè)計中因重復(fù)使用而造成錯誤，對于其他位置按照數(shù)據(jù)通路可畫出機器指令的微程序流程圖如圖2所示，當(dāng)擬定“取值”微指令時，該微指令的判別測試字段為P(1)測試，由

8、于取值指令是所有微程序都是用的公用微序，因此P(1)測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支，本機使用指令寄存器的前四位(IR7-IR4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定的微地址單元?？刂婆_操作作為P(4)測試，它以控制臺開關(guān)SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個固定的微地址單元，當(dāng)分支地址單元固定后，其余每條微指令各占用控存一個微地址單元，隨意填寫即可。注意：微程序流程圖上的單元地址為八進制。指令寄存器(IR)用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存中取到緩存，然后在傳送到指令寄存器中。微程序流程圖（用visio畫的，電子版的可以放大查看，紙質(zhì)版的另附一張圖）當(dāng)全部微

9、程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表4即為將圖2微程流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化得到的“二進制微代碼表”。下圖為表4：地址16進制表示高五位S3 - S0ABC下一微地址功能00000001000000000000000000000001NOP01006D43000000000110110101000011PC->AR, PC加10203107070000100000111000001110000MEM->IR, P<1>04002405000000000010001000000101RS->B0504B201000001001011001000000001A加B-

10、>RD06002407000000000010001000000111RS->B07013201000000010011001000000001A與B->RD08106009000100000110000000001000MEM->AR09183001 000110000011000000000001IO->RD0A106010000100000110000000010000MEM->AR0B005341 000000000101001101000001NOP0C103001000100000011000000000001MEM->RD0D200601

11、001000000000011000000001RD->MEM0E005341 000000000101001101000001A->PC0F0000CB 000000000000000011001011NOP, P<3>10280401 001010000000010000000001RS->IO11103001 000100000011000000000001MEM->RD12063201 000001100011001000000001A-1->RD13002414 000000000010010000010100RS->B1405B201

12、 000001011011001000000001A減B->RD15002416 000000000010010000010110RS->B1601B201 000000011011001000000001A或B->RD17 1803B201 000000111011001000000001A<<1->RD191A1B000001000000000000000000000001A->PC1C10101D 000100000001000000011101MEM->A1D10608C 000100000110000010001100MEM->A

13、R, P<2>1E10601F 000100000110000000011111MEM->AR1F101020 000100000001000000100000MEM->A2010608C 000100000110000010001100MEM->AR, P<2>21006D62 000000000110110001100010PC->AR,PC+22102023 000100000010000000100011MEM->B23058201 000001011000001000000001A-B2425262728101029 000100

14、000001000000101001MEM->A2900282A 000000000010100000101010RI->B2A04E22B 000001001110001000101011A加B->AR2B04928C 000001001001001010001100A加B->A, P<2>2C10102D 000100000001000000101101MEM->A2D002C2E 000000000010110000101110PC->B2E04E22F 000001001110001000101111A加B->AR2F04928C

15、000001011001001010001100A加B->A, P<2>30001604 000000000001011000000100RD->A31001606 000000000001011000000110RD->A32006D48 000000000110110101001000PC->AR, PC加133006D4A 000000000110110101001010PC->AR, PC加134001621 000000000001011000100001RD->A35000035 000000000000000000110101NOP

16、36006D51 000000000110110101010001PC->AR, PC加137001612 000000000001011000010010RD->A38001613 000000000001011000010011RD->A39001615 000000000001011000010101RD->A3A001618 000000000001011000011000RD->A3B000001 000000000000000000000001NOP3C006D5C 000000000110110101011100PC->AR, PC加13D00

17、6D5E 000000000110110101011110PC->AR, PC加13E006D68 000000000110110101101000PC->AR, PC加13F006D6C 000000000110110101101100PC->AR, PC加1表4二進制微代碼表本設(shè)計的機器指令程序及相應(yīng)的匯編程序如下：微指令匯編指令格式指令功能ADD RD,RS0000RSRDRD+RS->RDAND RD,RS0001RSRDRD&RS->RDIN RD,P0010*RDPP->RDOUT P,RS0011RS*PRD->PTEST RD,

18、D0100RDDRD-DHALT0101停機 LDI RD,D0110*RDDD->RDDEC RD0111*RDRD-1àRDSUB RD,RS1000RSRDRD-RS->RDOR RD,RS1001RSRDRS|RD->RDROL RD1010RDRD<<1->RD保留LAD M D,RD1100MRDDE->RDSTA M D,RS1101MRSRD->EJMP M D1110MDE->PCJNZ M D1111MD當(dāng)ZF=0或CF=0跳轉(zhuǎn)2.2 操作步驟實驗連線圖1 連線：按實驗連線圖進行連線。2. 測試：在聯(lián)機軟件CM

19、A中打開綜合性實驗的數(shù)據(jù)通路圖，并進行測試3 編寫程序：采用聯(lián)機讀/寫程序按下面規(guī)定格式，用聯(lián)機軟件在CMPP中建立將機器指令及微指令的二進制代碼編輯成十六進制的*.TXT文檔，并用聯(lián)機軟件的轉(zhuǎn)儲功能將該格式文件裝載到實驗系統(tǒng)中。測試程序及微指令代碼：; /*/; / /; / 復(fù)雜模型機實驗指令文件 /; / /; / By 李俊 豐翔 王兆宇 /; / /; /*/; /* Start Of Main Memory Data */ $P 00 21 ; START: IN R1,00H 從IN單元讀入計數(shù)初值 $P 01 00 $P 02 60 ; LDI R0,0FH 立即數(shù)0FH送R1

20、 $P 03 0F $P 04 11 ; AND R1,R0 得到R1低四位 $P 05 34 ; OUT R1 輸出IN單元的值 $P 06 40 ; $P 07 62 ; START: LDI R2,60H 讀入數(shù)據(jù)始地址 $P 08 60 $P 09 CB ; LAD R3,RI,04H 從MEM讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址，偏移量為04H $P 0A 04 $P 0B 3C ; OUT R3 輸出被加數(shù)R3的值 $P 0C 40 ; $P 0D 0D ; ADD R1,R3 R1+R3->R1 $P 0E 34 ; OUT R1 輸出加法執(zhí)行后的結(jié)果 $P 0F 40 ; $P 10

21、 C7 ; LAD R3,67H 從MEM讀入數(shù)據(jù)送R3，間接尋址 $P 11 67 $P 12 3C ; OUT R3 輸出被減數(shù)R3的值 $P 13 40 ; $P 14 8D ; SUB R1,R3 R1-R3->R1 $P 15 34 ; OUT R1 輸出減法執(zhí)行后的結(jié)果 $P 16 40 ; $P 17 A1 ; ROL R1 R1<<1->R1 $P 18 34 ; OUT R1 輸出左移一位執(zhí)行后的結(jié)果 $P 19 40 ; $P 1A 34 ; LOOP: OUT R1 循環(huán)輸出（倒計時功能） $P 1B 40 ; $P 1C 71 ; DEC R1

22、$P 1D 41 ; TEST R1,00 相減為0，表示求和完畢 $P 1E 00 $P 1F F0 ; JNZ LOOP 直接尋址 $P 20 1A $P 21 E0 ; JMP START $P 22 00 $P 23 50 ; HLT 停機 $P 60 00 ; 數(shù)據(jù) $P 61 01 $P 62 02 $P 63 03 $P 64 04 $P 65 06 $P 66 07 $P 67 62 ;間接尋址用到; /* End Of Main Memory Data */; /* Start Of MicroController Data */ $M 00 000001 ; NOP $M

23、01 006D43 ; PC->AR, PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $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 1B 000001 ; A->PC $M 0C 103001 ; MEM->RD $M 0D 2

24、00601 ; RD->MEM $M 0E 005341 ; A->PC $M 0F 0000CB ; NOP, P<3> $M 10 280401 ; RS->IO $M 11 103001 ; MEM->RD $M 12 063201 ; A-1->RD 0000 0110 0011 0010 0000 0001 $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-

25、>B $M 18 03B201 ; A<<1->RD 0000 0011 1011 0010 0000 0001 $M 0B 005341 ; NOP $M 1C 10101D ; MEM->A $M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 1E 10601F ; MEM->AR $M 1F 101020 ; MEM->A $M 20 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 21 006D62 ; PC->AR,PC+- $M 22 102023 ; MEM->B 0001

26、0000 0010 0000 0010 0011 $M 23 058201 ; A-B 0000 0101 1000 0010 0000 0001 $M 28 101029 ; MEM->A $M 29 00282A ; RI->B $M 2A 04E22B ; A加B->AR $M 2B 04928C ; A加B->A, P<2> $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<2> $M

27、 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 001621 ; RD->A $M 35 000035 ; NOP $M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 $M 37 001612 ; RD->A $M 38 001613 ; RD->A $M 39 001615 ; RD->A $M 3A 001618 ; RD->A $M 3B 000001 ; NOP $M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 $M 3D 00