《計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)(一)》課程設(shè)計報告

1、計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計報告計算機(jī)組成與 體系結(jié)構(gòu)（一） 課程設(shè)計報告班 級：13級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一班 小組隊(duì)員： E11314033 陳柚霖 E11314079 陳 斌 完成日期：2015年10月29日 解決裝修貼墻紙花費(fèi)的預(yù)算問題目 錄目 錄目 錄- 1 -一、設(shè)計目的- 2 -二、設(shè)計題目- 2 -1.問題背景- 2 -2.題目設(shè)計及模型建立- 2 -3.模型機(jī)的功能- 3 -三、指令格式與指令系統(tǒng)- 3 -1.數(shù)據(jù)格式- 3 -2.指令格式- 3 -1）.算術(shù)邏輯指令- 4 -2）.I/O指令- 4 -3）.訪問指令及轉(zhuǎn)移指令- 4 -4）.停機(jī)指令- 5 -3.指令系統(tǒng)- 5

2、-四、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路- 6 -五、指令執(zhí)行流程- 6 -六、微程序流程圖和微程序- 9 -七、課程設(shè)計總結(jié)- 9 -1.遇到的問題和解決的方法- 9 -2.收獲與體會- 10 -3.小組成員各自的任務(wù)和完成情況- 12 -八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖- 13 -九、附錄- 16 -附錄一：數(shù)據(jù)通路圖- 16 -附錄二：微程序流程圖- 17 -附錄三：微程序- 18 -一、 設(shè)計目的隨著社會科技的發(fā)展，計算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，人們步入自動化、智能化的生活階段。本次課程設(shè)計課題是基本模型機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，它正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。利用CPU與簡單模型機(jī)來實(shí)現(xiàn)計算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想，硬件設(shè)

3、備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。本課程設(shè)計是計算機(jī)組成原理課程之后開設(shè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)課程。通過本課程設(shè)計，使學(xué)生進(jìn)一步加深對計算機(jī)原理系列課程相關(guān)內(nèi)容的理解，掌握CPU設(shè)計的基本方法和計算機(jī)系統(tǒng)的組成原理，進(jìn)一步鞏固所學(xué)的理論知識，提高運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力；鍛煉計算機(jī)硬件的設(shè)計能力、調(diào)試能力；培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)、良好的工程素質(zhì)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為今后的工作打下基礎(chǔ)。二、 設(shè)計題目1. 問題背景墻紙以其柔韌的質(zhì)感，使墻面環(huán)境變得溫馨、親切?，F(xiàn)在，越來越多的用戶在裝修時更青睞使用到墻紙。特別是近期熱選的環(huán)保墻紙對于室內(nèi)的裝

4、扮非常重要，不光能起到房屋裝飾的點(diǎn)睛之筆，另外室內(nèi)的墻紙環(huán)保也將影響到你的睡眠與健康。貼墻紙花費(fèi)的預(yù)算，也將成為房屋裝修預(yù)算的一部分。2. 題目設(shè)計及模型建立基于問題背景，我們要設(shè)計的題目就是解決裝修貼墻紙花費(fèi)的預(yù)算問題。其基本模型就是求長方體的內(nèi)表面積（除去上下表面）。假設(shè)長方體（見圖1 ）的長、寬、高分別用a、b、c(單位：米)表示，墻紙每平方米的價格為d(單位：元)，那么問題求解的數(shù)學(xué)公式如下：y=(a*c+b*c)*2*d=(a+b)*c*2*d基于上述模型，可通過復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計，根據(jù)輸入a、b、c、d的值進(jìn)行計算，并輸出最終結(jié)果。圖1 長方體模型abc3. 模型機(jī)的功能簡單來說，模

5、型機(jī)的功能主要是進(jìn)行四個數(shù)的相加與相乘運(yùn)算。由于，模型機(jī)不存在乘法指令，需要通過其他相關(guān)的指令來設(shè)計并實(shí)現(xiàn)。三、 指令格式與指令系統(tǒng)1. 數(shù)據(jù)格式模型機(jī)規(guī)定數(shù)據(jù)采用定點(diǎn)整數(shù)補(bǔ)碼表示，字長為8位，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0符號 尾 數(shù)其中，第7位為符號位，數(shù)值的表示范圍是：。2. 指令格式模型機(jī)設(shè)計四大類指令共13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(jī)指令。1）. 算術(shù)邏輯指令設(shè)計六條算術(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，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE RS RD其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為

6、目的寄存器，并規(guī)定： RS或RD選定的寄存器000110 R0 R1 R22）. I/O指令輸入（IN）和輸入（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE addr RD其中，addr=01時，選中“INPUT DEVICE”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時，選中“INPUT DEVICE”中的數(shù)碼塊作為輸入設(shè)備。3）. 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計兩條訪問指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），兩條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移（BZC），指令格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 10 MOP-CODE RD D

7、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(fù)均可），M為尋址模式，其定義如下： 尋址模式有效地址E說明00011011 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4）. 停機(jī)指令停機(jī)指令格式如下：7 6 5 4 3 2 1 01111 11 11HALT指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。3. 指令系統(tǒng)在這次課程設(shè)計中，我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)模型機(jī)對四個數(shù)進(jìn)行加法乘法運(yùn)算的功能，主要用到ADD、COM、INC、ROL、JMP、BZC、IN、OUT、HALT九條機(jī)器指令，其助記符、功能和具體指令格式見表1。表1 算數(shù)邏輯指

8、令的助記符、功能和具體格式助記符指令格式功 能CLR RD0000 00 RD0RDMOV RS,RD0001 RS RDRSRDADD RS,RD0010 RS RDRS+RDRD(不帶進(jìn)位)INC RD0011 RS RDRS+1RDCOM RD0100 RS RDRD取反RDROL RS,RD1100 RS RDRS循環(huán)左移一位，然后RSRD(不帶進(jìn)位)LDA M,D,RD10 M 00 RDD(E)RDSTA M,D,RD10 M 01 RDDRD(E)JMP M,D10 M 10 00DEPCBZC M,D10 M 11 00D當(dāng)CY=1或Z=1,EPCIN addr,RD1101

9、01 RD(addr)RDOUT addr,RD1110 10 RDRD(addr)HALT1111 11 11停機(jī)四、 總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路本模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖如圖2所示（見附錄一）。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(jìn)制代碼表，并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時的十六進(jìn)制格式文件，見表2。表2 微代碼定義242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8A字段B字段P字段uA5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段 B字段 P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000

10、000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC五、 指令執(zhí)行流程根據(jù)微程序流程圖寫出微指令代碼，見表3：表3 二進(jìn)制微代碼表十六進(jìn)制地址八進(jìn)制地址S3-CnWEA9 A8ABP下址00000000000110000001000010000101000000011110110110000010020200000000110000000101000003030000000010100000000001

11、000404000000001110000010100000050500000000111000000000011006060000000010100000000001110707000000001110000010100000081000000001111011011000101009110000000111101101100011000A120000000010100000001010000B130000000110000000000000010C140000000000100000001001110D150000000010100000000011100E1600000001101101

12、10000011110F171001010111101010001011111020001111011001101000000001112100000001100100100000000112220000000110100010001011011323000000011010001000010110142400000001101000100010111015251001010110011010000000011626000000011001101101000001172700010001100010000010011018300000000111101101100000111931000000

13、0111101101100001011A320000000111101101100011011B330000000111101101101010101C340011000110000010000101111D350000000000010000000000011E360000001100000100000000011F37000000011000000000011111204000000000100100000000000121410000001010000100000000012242000001011101101110000001234300000001100000001110010024

14、44000000011000000000000001254510010101101010101010000026460000000110011000000000012747000001101000101000001001285000000111000010100000100029510000010111011011100000012A520000000010100000001010112B530000000110111100001011002C541001010111101010001001012D550000000110110100000101012E56000011011001101000

15、0000012F57100101011010101010100000當(dāng)B字段置為101時，打開ALU運(yùn)算結(jié)果輸出三態(tài)門，微代碼的高6位設(shè)置不同的值會有不同的功能，具體功能見表4：表4 74LS181功能表S3S2S1S0M=0（算術(shù)運(yùn)算）M=1（邏輯運(yùn)算）CN=1無進(jìn)位CN=0有進(jìn)位0000F=F=A加1F=0001F=F=（）加1F=0010F=F=（）加1F=0011F=0減1F=0F=0100F=加F=加加1F=0101F=（）加F=（）加加1F=0110F=減減1F=減F=0111F=減1F=F=1000F=加F=加加1F=1001F=加F=加加1F=1010F=（）加F=（）加加1F

16、=1011F=減1F=F=1100F=加F=加加1F=11101F=（）加F=（）加加1F=1110F=（）加F=（）加加1F=1111F=減1F=F=進(jìn)行移位運(yùn)算時需要使用一片74LS299作為移位發(fā)生器，299_G信號控制其使能端，T4時序?yàn)槠鋾r鐘脈沖，由S1、S0、M控制信號控制其功能狀態(tài)，見表5：表5 74LS299功能表299_GS1S0M功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進(jìn)位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進(jìn)位循環(huán)左移任意11任意裝數(shù)六、 微程序流程圖和微程序根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定微地址，如圖3所示（見附錄二）。實(shí)驗(yàn)所用的微程序，見附錄三。七、 課

17、程設(shè)計總結(jié)1. 遇到的問題和解決的方法Q1：微地址編碼問題重新設(shè)計了指令系統(tǒng)后，需要對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上流程圖的微地址進(jìn)行重新設(shè)置，剛開始對JMP、BZC的微地址設(shè)置出現(xiàn)了錯誤，以為是根據(jù)指令格式的第7、6和第3、2位進(jìn)行設(shè)置，后來根據(jù)老師的指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)只需根據(jù)第3、2位進(jìn)行設(shè)置，于是重新設(shè)置了正確的微地址。Q2：微指令代碼的問題根據(jù)微程序流程圖寫出各條微指令的微代碼后，進(jìn)行$M的微程序編寫，由于不夠細(xì)心，導(dǎo)致在將24位0、1代碼“翻譯”成16進(jìn)制的微程序時，有一位未能正確“翻譯”，使得程序在運(yùn)行期間，執(zhí)行到BZC指令時，總是循環(huán)執(zhí)行DR1+DR2AR指令，從而不能正確跳轉(zhuǎn)，在經(jīng)過對微代碼的逐一排查后

18、，找到了錯誤所在，并正確修改。修改完后的微程序能夠正確運(yùn)行。Q3：BZC跳轉(zhuǎn)的問題BZC是根據(jù)CF和ZF標(biāo)志位進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的，只要CF或ZF的值為1就進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。剛開始設(shè)計的機(jī)器指令，是用輸入的值減1，減到0時進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。由于減去一個數(shù)等于加上這個數(shù)的補(bǔ)碼，所以只要輸入的值大于1，進(jìn)行減1操作都會有進(jìn)位產(chǎn)生，因此該方法不可取。后來考慮到可以輸入一個負(fù)數(shù)，每次進(jìn)行加1操作，當(dāng)加到0時進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。這種方法從理論上是行得通的，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論輸入的負(fù)數(shù)加1后是否為0都會發(fā)生跳轉(zhuǎn)。后來請教老師得知實(shí)驗(yàn)箱的底層設(shè)計可能存在不符合邏輯的地方，于是又考慮其它方法。最終實(shí)驗(yàn)成功所采用的方法如下：首先將輸入的數(shù)進(jìn)行

19、取反操作(COM)，然后進(jìn)行加1操作(這里的加1操作即INC指令，在原來的指令微代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更改，將原先P字段的000設(shè)置為101，即打開AR鎖存器控制端的控制信號，當(dāng)T4脈沖到來時，進(jìn)位結(jié)果被鎖存到進(jìn)位鎖存器中。)，這兩步操作后即得到輸入的數(shù)的負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼，然后再進(jìn)行INC操作，如果不為零則執(zhí)行相應(yīng)的操作，直到結(jié)果為0，這時，CF和ZF標(biāo)志位的值均為1，實(shí)現(xiàn)了程序的跳轉(zhuǎn)。2. 收獲與體會陳柚霖(E11314033):第一節(jié)實(shí)驗(yàn)課上，首先對上一學(xué)期的計算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課的基本流程進(jìn)行了回顧與復(fù)習(xí)，然后聽老師講解了復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計的一般步驟和相關(guān)內(nèi)容的基本原理，在此基礎(chǔ)上，課后和隊(duì)友認(rèn)真討論了

20、我們組將要設(shè)計的模型機(jī)所要實(shí)現(xiàn)的功能，并在老師的指導(dǎo)下，對其進(jìn)行了優(yōu)化。然后建立了問題求解的數(shù)學(xué)模型并寫出了簡單的匯編指令代碼，因?yàn)槌绦蚶镄枰玫匠朔ㄖ噶?，?dāng)時直接用MUL助記符表示乘法操作，后來發(fā)現(xiàn)模型機(jī)中并沒有乘法指令，于是，想到了用循環(huán)加法來實(shí)現(xiàn)（例如a*b，首先令c=a，然后每循環(huán)一次，就進(jìn)行一次a+c操作，共循環(huán)b-1次）。確定了模型機(jī)的功能后，就著手下一步工作，重新設(shè)計指令系統(tǒng)。這一步比較順利，在原來的指令系統(tǒng)上，我們對各指令的操作碼均進(jìn)行了修改（除了R0，R1，R2分別用00,01,10表示以及尋址方式對應(yīng)的二進(jìn)制編碼沒變），然后就進(jìn)行微程序流程圖的繪制。這一步也沒有大問題，除了

21、對JMP、BZC的微地址的設(shè)置沒有考慮清楚（這一點(diǎn)已經(jīng)在前文的Q1中提及）。接著就是進(jìn)行微程序$M的編寫工作，它需要和微程序流程圖以及表4、表5進(jìn)行嚴(yán)格的對照,尤其是在UA5UA0的6位后續(xù)微地址，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)。在多次修改微代碼表后最終確定了$M微程序，接著就是編寫$P機(jī)器指令，在前面的工作已經(jīng)完成的情況下，$P機(jī)器指令的編寫已經(jīng)變得很簡單了。最后是上機(jī)階段，在一次次的摸索下，逐漸掌握了復(fù)雜模型機(jī)的運(yùn)行原理。期間遇到最多的情況就是BZC的跳轉(zhuǎn)問題，程序并不能在預(yù)期的地方實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，指示燈的指示信號也是錯誤的（在前文Q3中已提及）。整個設(shè)計的過程中

22、，修修改改，不斷驗(yàn)證新的想法是否可行，最終在團(tuán)隊(duì)的協(xié)作和老師的指導(dǎo)下，順利完成了復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計，受益匪淺。陳斌(E11314079):從剛開始確定課題到最終得出正確結(jié)果的那一刻，期間出現(xiàn)了許多意料之外的錯誤，經(jīng)過了多次的修改與調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了最初的目標(biāo)。剛開始由于對理論知識不熟悉，總感覺無從下手，后來和隊(duì)友、同學(xué)討論交流后，逐漸有了思路，并逐步完成了前期準(zhǔn)備工作。當(dāng)明白了24位微代碼的每一位各代表什么意思后，對微代碼的修改就有了理論上的支撐。起初，我們根據(jù)74LS181功能表(表4)設(shè)計了自減一指令(即DEC指令)，后來由于自減一操作會發(fā)生進(jìn)位(減1相當(dāng)于加-1的補(bǔ)碼)，導(dǎo)致程序異常跳轉(zhuǎn)，我

23、們又改進(jìn)了自加一指令(INC指令)，將其P字段改為101，這樣，進(jìn)位結(jié)果就會被鎖存到進(jìn)位鎖存器中，當(dāng)加1后結(jié)果為零時，指示燈的指示信號可以正確指示，程序正確跳轉(zhuǎn)。我們還對ADC指令進(jìn)行了修改，將其改為ADD指令(即不帶進(jìn)位的加法)，只需將原來ADC指令的P字段改為000即可，同時還將RLC指令改為ROL指令(即不帶進(jìn)位的循環(huán)左移)，這是根據(jù)74LS299功能表(表5)，將RLC指令的微代碼的S1、S0和M這三位的值修改為010。調(diào)試期間，由于不清楚各指令對CF和ZF標(biāo)志位具體有什么影響，導(dǎo)致走了很多彎路，好在在多次嘗試后找到了一條正確的路。通過這次課程設(shè)計，讓我更加深刻地體會到計算機(jī)認(rèn)識的只有

24、“0”和“1”，而且失之毫厘差之千里。同時也讓我明白了僅僅從課本上學(xué)到的理論知識是完全不夠的，只有理論和實(shí)踐相結(jié)合，才能真正學(xué)到并學(xué)好知識，畢竟實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。雖然整個設(shè)計過程中出現(xiàn)了很多問題，但是我們并沒有輕易放棄，隊(duì)友間相互鼓勵，相互幫助，共同討論，共同實(shí)踐，并最終得出了正確結(jié)果。3. 小組成員各自的任務(wù)和完成情況任務(wù)完成情況參與成員確定課設(shè)題目，需求分析完成陳柚霖 陳斌指令格式重新設(shè)計完成陳柚霖 陳斌微程序流程圖繪制完成陳柚霖 陳斌微代碼微程序的編寫完成陳柚霖 陳斌機(jī)器指令代碼的編寫完成陳柚霖 陳斌上機(jī)調(diào)試完成陳柚霖 陳斌八、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1輸入長2輸入寬3輸入高4 (長+寬)*高5 (長+寬)*高*26 (長+寬)*高*2*單價并輸出(單價已在5、6步之間輸入到R2中，這里沒顯示)九、 附錄附錄一：數(shù)據(jù)通路圖圖2 數(shù)據(jù)通路圖附錄二：微程序流程圖圖3 微程序流程圖附錄三：微程序機(jī)器碼助記符說明$P00D4IN R0輸入長到R0$P01D5IN R1輸入寬到R1$P0221ADD R0 R1長加寬$P0314MOV R1 R0把長加寬得到的值賦給R0$P04D6IN R2輸入高到R2$P054ACOM R2R2取反$P063AINC R2再加1，變成高的相反數(shù)$P073AINC R2每進(jìn)行加1