計算機組成原理專周報告

1、實 驗 報 告課程名稱計算機組成原理專周班 級 1305012姓 名學(xué) 號 23指導(dǎo)教師 倪繼烈時間：-計算機工程系計算機組成原理專周實驗報告實驗名稱12條指令的計算機實現(xiàn)實驗時間學(xué)生姓名李鑫班級1305012學(xué)號23指導(dǎo)教師倪繼烈批閱教師成績實驗?zāi)康模?、學(xué)習(xí)模型機總體結(jié)構(gòu)CP226莫型機包括了一個標(biāo)準(zhǔn)CPU所具備所有部件，這些部件包括：運算器ALU累加器A、工作寄 存器 W左移門L、直通門D右移門R、寄存器組R0-R3程序計數(shù)器PC地址寄存器MAR 堆棧寄存器ST中斷向量寄存器IA、輸入端口 IN、輸出端口寄存器OUT程序存儲器EM指令 寄存器IR、微程序計數(shù)器uPC微程序存儲器uM,以及

2、中斷控制電路跳轉(zhuǎn)控制電路其中運算器和中 斷控制電路以及跳轉(zhuǎn)控制電路用CPLD來實現(xiàn),其它電路都是用離散的數(shù)字電路組成微程序控制部分也 可以用組合邏輯控制來代替。2、學(xué)習(xí)模型機尋址方式模型機的尋址方式分五種：累加器尋址:操作數(shù)為累加器A，例如“CPLA”是將累加器A值取反，還有些指令是隱含尋址累加器 A,例如“OUT是將累加器A的值輸出到輸出端口寄存器OUT寄存器尋址：參與運算的數(shù)據(jù)在R0-R3的寄存器中，例如“ADD AR0'指令是將寄存器R0的值加上 累加器A的值，再存入累加器A中。寄存器間接尋址:參與運算的數(shù)據(jù)在存儲器EM中，數(shù)據(jù)的地址在寄存器R0-R3中，如“MOVAR” 指令是

3、將寄存器R1的值做為地址，把存儲器EM中該地址的內(nèi)容送入累加器A中。存儲器直接尋址:參與運算的數(shù)據(jù)在存儲器EM中，數(shù)據(jù)的地址為指令的操作數(shù)例如“ANDA40H'指令 是將存儲器EM中 40H單元的數(shù)據(jù)與累加器A的值做邏輯與運算，結(jié)果存入累加器Ao 立即數(shù)尋址:參與運算的數(shù)據(jù)為指令的操作數(shù)例如“SUBA#10H是從累加器A中減去立即數(shù)10H, 結(jié)果存入累加器Ao3、學(xué)習(xí)模型機指令集模型機的缺省的指令集分幾大類：算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、跳轉(zhuǎn)指令 中斷返回指令、輸入輸出指令。1. 了解模型機的組成及工作原理。2. 掌握模型機的指令格式、尋址方式、指令流程及工作過程

4、。3. 設(shè)計和實現(xiàn)10條以上基本計算機指令的實現(xiàn)。實驗環(huán)境：Win dos環(huán)境、DICE-CP226實驗環(huán)境摘要計算機組成原理系統(tǒng)地介紹了計算機的基本組成原理和內(nèi)部工作機制。計算機組成原理共分8章，主要內(nèi)容分成兩個部分：第1、2章介紹了計算機的基礎(chǔ)知識；第 38章介紹 了計算機的各子系統(tǒng)（包括運算器、存儲器、控制器、外部設(shè)備和輸入輸出子系統(tǒng)等）的基本 組成原理、設(shè)計方法、相互關(guān)系以及各子系統(tǒng)互相連接構(gòu)成整機系統(tǒng)的技術(shù)。此次模型機為8位機，根據(jù)指令類型的不同，可以有 0到2個操作數(shù)。指令的最低兩位用 來選擇寄存器，在微程序控制方式中，用指令嗎作為微地址來尋址，找到該指令的微程序。并 完成下面相關(guān)

5、操作本次設(shè)計將在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列完成，即一條機器指令對應(yīng)一條微程序。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)（DATA UNIT），它作為輸入設(shè)備；另一種 是發(fā)光二極管（BUS UNIT上的一組發(fā)光二極管），它作為輸出設(shè)備。例如：輸入時，二進制開 關(guān)數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，驅(qū)動發(fā)光二極管顯示。此次課設(shè)主要完成六條機器指令：IN （

6、輸入）、ADD（二進制加法）、SUB（存數(shù)）、INC（地址 加1）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）。我們先對指令進行了分析，根據(jù)數(shù)據(jù)通路圖畫出了每 個微程序的流程圖，根據(jù)微程序地址轉(zhuǎn)移電路計算出每個微程序的起始地址，根據(jù)起始地址對 每一條微指令編碼，編碼之前我們必須弄清每條微指令由那些信號控制， 并且要了解信號的“ 1”、 “0”代表什么。對每一條微指令編碼后將微指令寫入到實驗箱中，此外我們也要對控制臺操作微程序進行編碼。根據(jù)實驗接線圖接線檢查無誤后，使用控制臺 KWffP KRD微程序進行機器指 令程序的裝入和檢查。使用 RP啟動程序。單步運行程序檢查實驗結(jié)果。時間進度安排順序階段日期

7、計劃完成內(nèi)容備注1第1天（12月21日）閱讀資料、系統(tǒng)分析設(shè)計2第2天（12月22日）系統(tǒng)分析設(shè)計、微程序編 制3第 3-4 天（12 月 23-24日）微程序輸入、調(diào)試及運行4第5天（12月25日）基本模型機運行驗收、答亠、亠辯5第6-7天（12月26日-27日）撰寫課程設(shè)計說明書實驗內(nèi)容：1. 課程設(shè)計說明書是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計成果的載體，主要內(nèi)容包括：設(shè)計題目、 設(shè)計目的、設(shè)備器材、設(shè)計原理、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計步驟、實現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)、遇到的 問題及解決方法、設(shè)計總結(jié)等。一般不應(yīng)少于 3000字。2. 在適當(dāng)位置配合相應(yīng)的實驗原理圖、數(shù)據(jù)通路圖、微程序流程圖、實驗接線圖、微指令代碼表等圖表進

8、行說明。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。3. 設(shè)計總結(jié)部分主要寫本人設(shè)計期間所做工作簡介、得到了哪些設(shè)計成果、以及自 己的設(shè)計體會，包括通過課程設(shè)計有何收獲，程序有哪些不足之處，哪里遇到了困難， 解決的辦法，以及今后的目標(biāo)。4. 課程設(shè)計說明書手寫或打印均可，具體要求如下：手寫時要用統(tǒng)一的課程設(shè)計用紙格式，用黑或藍黑墨水工整書寫；打印時采用A4紙，頁邊距均為20mm目錄、各章標(biāo)題（如:2設(shè)計原理及內(nèi)容） 和設(shè)計總結(jié)等部分的標(biāo)題用小三號黑體，上下各空1行，居中書寫；一級節(jié)標(biāo)題（如:2.1 設(shè)計原理）采用黑體四號字，二級節(jié)標(biāo)題（如:2.1.1數(shù)據(jù)通路）采用黑體小四號字，左對齊書寫

9、。正文采用宋體小四號字，行間距 18磅，每個自然段首行縮進 2個字。圖和表的要有編號和標(biāo)題，如：圖 2.1數(shù)據(jù)通路圖；表1.1機器指令表。圖題與 表題采用宋體五號字。表格內(nèi)和插圖中的文字一般用宋體五號字，在保證清楚的 前提下也可用更小號的字體。英文字體和數(shù)字采用 Time NewRomar字體，與中文混排的英文字號應(yīng)與周圍的漢 字大小一致。頁碼用五號字，在每頁底端居中放置。5. 課程設(shè)計說明書裝訂順序為：封面、任務(wù)書、成績評定表、設(shè)計小組任務(wù)分配及 自評、目錄、正文、設(shè)計總結(jié)。在左側(cè)用訂書釘裝訂，不要使用塑料夾。6. 設(shè)計小組任務(wù)分配及自評處注明設(shè)計組編號、設(shè)計組組長、設(shè)計組成員，并由設(shè) 計組

10、組長給出評語。包括該同學(xué)主要完成了哪些任務(wù)，課程設(shè)計期間的表現(xiàn)和態(tài)度如何, 組長自己的評語由小組其他成員集體討論后寫出。擬定指令系統(tǒng)確定總體結(jié)構(gòu) 安排時序 擬定指令操作流程和微命令序列 形成控制邏輯 實現(xiàn)十二條指令：MOVA，#IIADD A,#IIRLAJZMMJMPMMINARRARLCARRCAJCMMCallRet改進時序電路：當(dāng)指令執(zhí)行完畢后，提前結(jié)束后續(xù)空閑節(jié)拍。 增設(shè)CPL周期（例如：取指令周期、執(zhí)行指令周期等）。 增設(shè)控制臺命令（例如：程序輸入、程序校驗、程序運行等命令），方便用戶程序輸入與校驗。增設(shè)存數(shù)指令（例如：MOV MM A）。增加中斷功能（例如：INT、RET）不采用

11、系統(tǒng)提供的ALU，自己重新設(shè)計ALU部件。設(shè)計原理：本次設(shè)計將在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定指令的功能。這里， 計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列完成，即一條機器指令對應(yīng)一條微程序。本系統(tǒng)使用兩種外部設(shè)備，一種是二進制代碼開關(guān)（DATA UNIT），它作為輸入設(shè)備；另一種 是發(fā)光二極管（BUS UNIT上的一組發(fā)光二極管），它作為輸出設(shè)備。例如：輸入時，二進制開 關(guān)數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時,將輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線BUS上，驅(qū)動發(fā)光

12、二極管顯示。器件原理圖：數(shù)據(jù)通路圖：模型機微指令集：實驗步驟及實驗結(jié)果記錄：擬定指令系統(tǒng)13條指令的計算機微操作序列表（1 ）節(jié)拍微操作微操作控制信號MOV ToPC EM t IREMRD、PCOE、IRENMOV-TiPC EM tAEMRD、PCOE、EMEN、AENMOV-T2空操作無信號MOV-T3空操作無信號ADD-To（同 MOV）EMRD、PCOE、IRENADD-TiPCt EM twEMRD、PCOE、EMEN、WENADD-T2A+W tADOE、AENJMPTo（同 MOV）EMRD、PCOE、IRENJMPTiPCt EM t PCEMRD、PCOE、EMEN、ELP

13、13條指令的計算機微操作序列表（2）節(jié)拍微操作微操作控制信號RL ToPCt EM t IREMRD、PCOE、IRENRL TiA左移t aLOE、FEN、AENRL T2空操作無信號RL T3空操作無信號JZTo（同 MOV）EMRD、PCOE、IRENJZTiPCt EM t PCEMRD、PCOE、EMEN、ELPJZT2空操作JZTo空操作13條指令的計算機微操作序列表（3）節(jié)拍微操作微操作控制信號CALL ToPC EM t IREMRD、PCOE、IRENCALL T1PC t marPCOE ( PC+1)、PCOED、MARENCALL T2PCt stPCOED、 STEN

14、CALL T3MART EM t PCEMRD、EMEN、ELP、MAROERET T0(同 MOV)EMRD、PCOE、IRENRET T1STt pcSTOE、ELPIN T0(同 MOV)EMRD、PCOE、IRENIN T1IN tAINOE、AENIN.T2空操作13條指令的計算機微操作序列表（4）節(jié)拍微操作微操作控制信號RR T0PCt Em t IREMRD、PCOE、IRENRR T1A右移tAROE、AEN、FENRR T2空操作無信號RR T3空操作無信號13條指令的計算機的未操作表 組合邏輯控制計算與實現(xiàn)： 微操作控制信號邏輯表達式：EMRD=oTTi (MOV+ADD+

15、JMP)+T CALL PCOE=TTi (MOV+ADD+JMP+CALL) IREN二TEMEN=T (MOV+ADD+JMP)+3T CALL AEN=(MOV+RL +RLC+ IN+RR+RRC ) +T ADD WEN=T ADDDOE= T ADDELP= Ti (JMP+RET)+ T3 CALLLOE= T (RL+RLC)FEN= T ( RL+RLC+RR+RRGT2 ADDPCOED=CALL+ T2 CALLMAREN=T(CALL) MAROE=T CALL STEN=T CALL STOE=T RET ROE= T (RR+RRC)指令測試代碼：DB7CH,00H

16、;MOVA,#00HDB1CH,01H;ADDA,#01HDB0D4H;RLADB0A4H,09H;JZ09HDB0ACH,04H;JMP04HDB0BCH,11H;CALL11HDB7CH,0FFH ;MOV A,#0FFHDB1CH,02H;ADD A,#02H,CF=1DB0A0H,19H ;JC19HJ子程序DB7CH,80H;MOVA,#80HDB0D0H;RR ADB0A4H,0BH;JZ0BHDB0ACH,12H ;JMP 12HDB0CCH;RETDB 7CH,0FFH;MOVA,#FFHDB 1CH,02H;ADD A,#02HDB 0DCH;RLCADB 1CH,0FDH;

17、ADDA,#0FDH產(chǎn)生cf進位DB 0D8H;RRCADB 0C0H;IN輸入一個數(shù)顯示出來DB 0ACH,21H;JMP021HENDDICE-CP226上的電路設(shè)計：程序代碼加載后的運行效果圖：實驗結(jié)果及分析1運行結(jié)果根據(jù)指令，流水燈達到了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了左移后跳轉(zhuǎn)向右移動。 當(dāng)in輸入的時候，累加器的值會隨輸入值變動運行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相符。2遇到的問題在畫流程圖的時候，INC操作出現(xiàn)錯誤；由于沒有充分理解控制臺微程序造成寫機器指令時出現(xiàn)錯誤，在設(shè)計新的控制信 號時影響到之前的信號，產(chǎn)生錯誤結(jié)果； 運行程序時出現(xiàn)問題，程序無法正常運行。 3解決辦法 檢驗線路的連接，發(fā)現(xiàn)“ MA的線接錯

18、了，糾正過來； 在老師的幫助下以及經(jīng)過組內(nèi)同學(xué)的研究討論成功解決； 由于沒有充分理解控制臺微程序造成寫機器指令時出現(xiàn)錯誤； 實驗總結(jié)：微機的最基礎(chǔ)語言-匯編語言的一個最基礎(chǔ)最古老的計算機語言。而事物總是越基礎(chǔ)越 重要，在重大的編程項目中應(yīng)用最廣泛，因為就我個人的理解，匯編是對寄存的地址，以及數(shù) 據(jù)單元進行最直接的修改，而在某些時候，這種方法是的最有效，也是最可靠的，事物總有兩 面性，有優(yōu)點，自然缺點也不少，最重要的一點就是匯編語言很復(fù)雜，對某個數(shù)據(jù)進行修改時， 本來很簡單一個操作會用比較煩瑣的語句來解決，而這些語句本身在執(zhí)行和操作的過程中，占 用大量的時間和成本。在一些講求效率的場合，并不可取，所以可以適當(dāng)取舍它。但是計算機 組成原理又不得不和匯編語言打交道。完成了對存儲器進行讀寫，并在給定目標(biāo)和條件下進行 位擴展和字擴展