組成原理課程設計-復雜模型機

1、課程設計報告課程名稱：計算機組成原理 設計題目：復雜模型機 專 業(yè)：xxxxxx 姓 名：xx 學 號：xxxxx 同 組 人：xxxxxx 指導教師：xx 二零一六年一月目 錄1、課程設計任務書31.1 設計任務31.2 性能指標和設計要求32、本設計模型機體系結(jié)構(gòu)及功能32.1 模型機的體系結(jié)構(gòu)32.2 模型機所具有的基本功能43、模型機硬件設計43.1 模型機總體結(jié)構(gòu)設計43.2 模型機的硬件實現(xiàn)53.3 模型機數(shù)據(jù)通路的設計54、模型機機器指令系統(tǒng)設計64.1 指令設計64.2 指令格式64.3 指令系統(tǒng)85、模型機控制器微程序設計95.1 機器指令周期分析95.2 模型機硬件譯碼電路

2、95.3 微程序流程圖設計115.4 微指令格式設計125.5 微指令編碼設計125.6微指令地址及控存存儲器設計136、模型機功能測試146.1 機器指令功能調(diào)試146.2整機功能測試177、結(jié)論188、致謝189、附錄181、附錄一182、附錄二191、課程設計任務書1.1 設計任務 1、基本模型機的設計與實現(xiàn)。 2、在基本模型機的基礎上設計一臺復雜模型機。1.2 性能指標和設計要求 利用所學過的理論知識，特別是微程序設計的思想，設計基于微程序控制器的模型計算機，包括設計相應的硬件平臺、機器指令系統(tǒng)和微指令等。設計環(huán)境為TDCMA 計算機組成原理教學實驗箱、微機，聯(lián)機軟件等。同時設計好基于

3、模型機的測試驗證程序，并在設計好的硬件平臺上調(diào)試通過，以驗證所設計的模型機功能的可行性與可靠性。在設計完成的前提下，撰寫出符合要求的課程設計說明書并通過設計答辯。1.基本模型機設計與實現(xiàn)設計一臺簡單模型機，在具備基本必要的硬件平臺的基礎上，進一步要求其機器指令系統(tǒng)至少要包括五條不同類型指令：如一條輸入指令（假設助記符為IN），一條加法指令（假設助記符為ADD），一條輸出指令（假設助記符為OUT）、一條無條件轉(zhuǎn)移指令（假設助記符為JMP）和一條停機指令（假設助記符為HLT）；在設計好的模型機基礎上，設計一個進行兩個數(shù)求和運算的測試驗證程序，用以驗證模型機功能的可行性與可靠性。2. 在任務1 的基

4、礎上，增加機器指令系統(tǒng)的功能，設計具有不少于10 條機器指令的復雜指令系統(tǒng)模型機，包含算術(shù)邏輯指令、訪問內(nèi)存指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令、停機指等令。數(shù)據(jù)的尋址方式采用寄存器直接尋址。利用設計的復雜模型機實現(xiàn)兩個數(shù)的減法運算并判斷差得正負，差為正數(shù)則輸出A，差為負數(shù)則輸出B，差為零則輸出C。在設計好的模型機基礎上，進一步設計一個測試驗證程序，驗證模型機功能的可行性與可靠性。3、基本模型機和復雜模型機的CPU 數(shù)據(jù)字長為8 位，采用定點補碼表示。指令字長為8 的整數(shù)倍。微指令字長為24 位。2、本設計模型機體系結(jié)構(gòu)及功能2.1 模型機的體系結(jié)構(gòu) 依據(jù)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，本次設計的模型機可簡

5、化為圖1 所示的四層結(jié)構(gòu)。我們需要對每一個層次進行設計和實現(xiàn)。 對于最上層的應用程序，本次設計需要設計一個應用程序的測試實例來驗證下面三層構(gòu)成的模型機的功能可行性與可靠性。 2.2 模型機所具有的基本功能 本模型機共設計三大類指令，其中包括運算類指令，控制轉(zhuǎn)移類指令，數(shù)據(jù)傳送類指令。運算類指令包含三種運算，算術(shù)運算，邏輯運算和移位運算。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移類指令包含訪問內(nèi)存指令、輸入輸出指令等，控制類指令包括停機指令等。實現(xiàn)的功能如：兩寄存器的內(nèi)容相加減，寄存器中數(shù)據(jù)的移位，外設與寄存器內(nèi)容交換等多種功能。 3、模型機硬件設計 3.1 模型機總體結(jié)構(gòu)設計 總體結(jié)構(gòu)設計包括確定模型機應具有的基本功能部件以及

6、它們之間的數(shù)據(jù)通路。 根據(jù)課堂中所掌握的知識我們可以知道，計算機是由五大部件組成，包括： 運算器，控制器，存儲器，輸入設備和輸出設備。所以我們在設計硬件時基于所給出的實驗平臺選出我們所需要的五大部件（其中包括一些必要的寄存器件）。根據(jù)課堂上掌握的只是我們可以知道計算機中總線類型分為：數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。因此我們在連接線路時脫離不了這三大類型相應的信號（數(shù)據(jù)信號，地址信號，控制信號）。并且我們根據(jù)馮諾依曼機的特點可以知道，計算機的指令在內(nèi)存中按照其執(zhí)行順序存放，并且對于微程序控制器的計算機，控存中必須有固化的微指令。 3.2 模型機的硬件實現(xiàn) 在本次設計中，硬件的實現(xiàn)基于已給出的實驗平

7、臺，并根據(jù)我們所設計的模型機選擇具有控制數(shù)據(jù)通路開關(guān)的必須元器件，通過接插線（各種連線等）將具有控制數(shù)據(jù)通路的相關(guān)引腳進行器件連接，組成所設計的模型機硬件系統(tǒng)（物理機）。 3.3 模型機數(shù)據(jù)通路的設計 在上面總體結(jié)構(gòu)和硬件實現(xiàn)的基礎上，我們組根據(jù)各部件之間的邏輯組成關(guān)系并綜合考慮計算機的速率以及可靠性等各方面因素，設計出合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)通路的不同，執(zhí)行指令所需要的邏輯操作也就不同，計算機的結(jié)構(gòu)也就不同。在此基礎上，在后面的微指令設計階段，就可以依據(jù)數(shù)據(jù)通路關(guān)系確定模型機工作過程中的所有微操作，并進一步確定微指令格式中的相應微命令。本模型機的硬件實現(xiàn)電路如下圖所示： 圖中MC單元（控制器

8、）與其右側(cè)的三個單元之間以及ALU&REG單元間 的連線均為本模型機中數(shù)據(jù)通路的控制開關(guān)的引腳，控制相關(guān)微命令從而執(zhí)行對應的微操作。本模型機的數(shù)據(jù)通路框圖：4、模型機機器指令系統(tǒng)設計4.1 指令設計模型機設計三大類指令共十六條，其中包括運算類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令，數(shù)據(jù)傳送類指令。運算類指令包含兩種運算，算術(shù)運算、邏輯運算，設計有5條運算類指令，分別為：ADD、AND、INC、SUB、OR，所有運算類指令都為單字節(jié)，尋址方式采用寄存器直接尋址?？刂妻D(zhuǎn)移類指令有三條 HLT、JMP、BZC，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

9、IN、OUT、MOV、LDI、LAD、 STA、PUSH、POP共 6條，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和 I/O、寄存器和存儲器之間的數(shù)據(jù)交換，除 MOV指令為單字節(jié)指令外，其余均為雙字節(jié)指令。4.2 指令格式所有單字節(jié)指令(ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT、PUSH 、MOV)格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規(guī)定：RS或RD選定的寄存器00011011ROR1R2R3 IN和 OUT的指令格式為：7 6 5 43 2 (1)1 0 (1)70 (2)OP-CODERSRDP 其中括

10、號1表示第一個字節(jié)，2表示第二個字節(jié)，P為I/O端口號，占用一個字節(jié)，并規(guī)定：A7 A6選 定地 址 空 間00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11IOY3C0-FF其中，A7和A6是地址總線的高2位，I/O地址譯碼圖如下： PUSH的指令格式為：7 6 5 43 2 (1)1 0 (1)OP-CODERSRP（作為棧指針的寄存器SP）系統(tǒng)設計五種數(shù)據(jù)尋址方式，即立即、直接、間接、變址和相對尋址， LDI指令為立即尋址，LAD、STA、JMP和 BZC指令均具備直接、間接、變址和相對尋址能力。 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)：7 6 5

11、4 (1)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODERSRDdataLAD、STA、JMP和 BZC指令格式如下:7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODEMRDD 其中 M為尋址模式，具體見表 5-3-2，以 R2作為變址寄存器 RI:尋址模式M有效地址E說明00011011E=DE=(D)E=(RI)+DE=(PC)+D直接尋址間接尋址RI變址尋址相對尋址POP的指令格式如下：7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODEXXRP（作為棧指針的寄存器SP）取最后兩位作為RD4.3 指令系統(tǒng)匯編符號 指令的格式 功能MOV

12、 RD，RSADD RD，RSSUB RD，RSAND RD，RSOR RD，RSRR RD，RSINC RDPUSH RS0100 RS RD 0000RSRD1000RSRD0001RSRD1001RSRD1010RSRD0111* RD1011RSRP（作 為棧頂指針SP） RS RDRD+RS RDRD-RS RDRDRSRDRDRSRDRS右循環(huán)RDRD+1RD 將指定寄存器中的內(nèi)容壓入棧中LAD M D,RDSTA M D,RSJMP M DBZC M, D1100 M RD D 1101 M RDD1110M*D1111M*DERDRDEEPC 當FC或FZ=1 EPCIN RD

13、,POUT P,RS POP RD0010*RDP0011RS*P0011*RPRD最后 兩位 P RD RSP 將棧內(nèi)數(shù)據(jù)彈出至指定寄存器HALT0101 * * 停機5、模型機控制器微程序設計5.1 機器指令周期分析 根據(jù)課堂所掌握的知識，我們可以知道機器指令周期可以分為兩部分：取指周期和執(zhí)行周期。在本模型機中不同的機器指令取指周期都是相同的，都需要經(jīng)過兩個CPU周期和P<1>測試。其中，兩個CPU周期在數(shù)據(jù)通路上先后完成PC->AR,PC+1和MEM->IR的控制和傳送操作；在P<1>測試階段，對機器指令的操作碼進行測試，確定指令實現(xiàn)的功能。對于執(zhí)行周

14、期，每個機器指令執(zhí)行過程互不相同，所經(jīng)過的CPU周期數(shù)以及在不同周期對應的數(shù)據(jù)通路操作也不盡相同。設計過程中，我們組根據(jù)每一條機器指令所要實現(xiàn)的功能，設計出其在執(zhí)行過程中每個CPU周期在數(shù)據(jù)通路上完成的操作，并繪制出它的微程序流程圖。5.2 模型機硬件譯碼電路 復雜模型機指令多，尋址方式多，只用一種測試已不能滿足設計要求，為此譯碼電路更復雜，如下圖所示： 其中，I7 I0為機器指令的第7位到第0位，T4表示在T4為高電平時有效。 本實驗用到4個通用寄存器R0R3，對寄存器的選擇是通過指令的第四位，為此還得設計一個寄存器譯碼電路：5.3 微程序流程圖設計 微程序流程圖與方框圖表示的指令的指令周期

15、是一致的，一個方框是一個 CPU周期，一個CPU周期對應一條為指令。5.4 微指令格式設計 由上述程序流程圖可知，本模型機共用到了60條微指令，所以直接微地址需要6位 控制數(shù)據(jù)通路開關(guān)的為命令共有16種(包括3種P測試)，但考慮本機硬件上最大支持24位的微指令，若用直接表示法，微指令字較長，24位可能不夠，因此本模型機采用混合表示法；考慮到后期拓展及同組互斥的性質(zhì)，將上述的微命令分到A，B，C三個字段中，每個字段長3位。 模型機中有針對運算器的操作，因此需要5位控制參數(shù)CN和S3S0控制運算器的工作方式 模型機中有針對主存及外設的操作，所以需要3位微命令IO/M，WR和RD，分別表示針對外設/

16、主存，讀操作或?qū)懖僮?。綜上所述，我們所設計的模型機的微指令字長應為23位，但綜合考慮到后后期功能的拓展以及設計上的便捷，所以我們決定將字長拓展至24位。微指令格式如下所示：232221201018-1514-1211-98-65-0M23CNWRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段UA5-UA05.5 微指令編碼設計微指令中A、B、C三個字段的編碼方案如下表：A字段B字段C字段 14 13 12選擇 11 10 9選擇 8 7 6選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU-B001P<1>010LDB010RS_B010P<2>011LDRi01

17、1RD_B011P<3>100保留100RI_B100保留101LOAD101保留101LDPC110LDAR110PC_B110保留111LDIR111保留111保留其中，M23為補充位，無效，置為0；IOM位置0時為主存，置1時為IO外設；WR和RD置1時有效，置0時無效 控制參數(shù)CN和S3 S0所控制實現(xiàn)的運算邏輯功能表如下運算類型S3 S2 S1 S0CN功能邏輯運算 0000 xF=A（直通） 0001 xF=B（直通） 0010 xF=AB（直通） 0011 xF=A+B（直通） 0100 xF=/A（直通）移位運算 0101 0110 0111 x 0 1 0 1F=

18、A 不帶進位循環(huán)右移B（取低3 位）位 （FZ）F=A邏輯右移一位 （FZ）F=A 帶進位循環(huán)右移一位 （FC，F(xiàn)Z）F=A 邏輯左移一位 （FZ）F=A 帶進位循環(huán)左移一位 （FC，F(xiàn)Z）算術(shù)運算 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 x x x x x x x x置FC=CN （FC）F=A 加B （FC，F(xiàn)Z）F=A 加B 加FC （FC，F(xiàn)Z）F=A 減B （FC，F(xiàn)Z）F=A 減1 （FC，F(xiàn)Z）F=A 加1 （FC，F(xiàn)Z）（保留）（保留）5.6微指令地址及控存存儲器設計 首先確定取值過程中兩條微指令在控存中地址，以及第二條指令的直接微地址。

19、其次，在此模型機中，所有機器指令執(zhí)行過程中第一條微指令所在的微地址由P<1>測試前的默認微地址和機器指令操作碼經(jīng)P<1>測試后決定；其次，執(zhí)行過程中最后一條微指令的直接地址應該設為第一條取值微指令所在的微地址；然后，設置其余微指令所在的微地址，我們組采用的方法為對于每一道微程序，若不存在P<2>和P<3>測試，則入口地址從低到高從上向下為每條微指令分配微地址，因為下一條微指令的微地址即為上一條微指令的直接微地址，若存在P<2>或P<3>測試，則還應通過譯碼電路來求其后續(xù)微地址；最后，分配完微地址后，將所有微指令寫入控存對應

20、的位置中。 對于控存的要求，控存的容量至少要等于所有微指令的個數(shù)，即控存的位數(shù)應大于等于直接微地址的位數(shù)。6、模型機功能測試6.1 機器指令功能調(diào)試$P 00 62 ;LDI RD,1F 讀入棧頂指針,用R2作為棧指針$P 01 1F$P 02 60 ; LDI RD,06 將立即數(shù)賦給壓棧寄存器，壓棧寄存器為R0$P 03 06 $P 04 B2 ; PUSH R0,其中棧指針為R2固定死的$P 05 A2 ; 將出棧的數(shù)POP出來$P 06 00 ; 選擇出棧的目的寄存器為R0$P 07 30 ; 將出棧的數(shù)顯示出來$P 08 40 ; 顯示POP出來的數(shù)$P 09 50 ; 暫停 下面展

21、示的是一些測試過程中的部分截圖： 取指周期：PC->AR，PC+1 取指周期：MEM->IR，P<1>測試 LDI執(zhí)行周期：MEM->R0 PUSH執(zhí)行周期：R2->AR（該過程中R2充當棧頂指針指向內(nèi)存中棧頂） PUSH執(zhí)行周期：R2-1->R2，入棧完成后，棧頂指針減一 POP執(zhí)行周期：R2+1->R2 出棧前，先將棧頂指針加一 POP執(zhí)行周期：MEM->AR（根據(jù)棧頂指針找到棧數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置） POP執(zhí)行周期：MEM->R0（POP R0，將棧內(nèi)的數(shù)據(jù)彈出到R0目的寄存器中） 將pop出的書從目的寄存器中至out單元顯示。

22、上述測試是測試PUSH和POP指令，設計的測試代碼是首先通過LDI指令給源寄存器賦值然后將其壓入棧中在彈出至目的寄存器。最后由目的寄存器到OUT單元顯示出來。通過將OUT單元顯示的值與最初所賦值對比若相同則正確。由于最初給源寄存器所賦值為06最后顯示為06因此指令功能正確。6.2整機功能測試 $P 00 20 ; IN R0,00H 從IN單元讀入計數(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 ;START: LAD 10,00H,R3

23、 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 ;RESULT:OUT 40

24、H,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 $P 50 01 ; 數(shù)據(jù) $P 51 02 $P 52 03 $P 53 04 $P 54 05 $P 55 06 該段代碼實現(xiàn)的是累加功能，經(jīng)過運行對比之后，整體功能實現(xiàn)正確，具有可行性。7、結(jié)論 經(jīng)過一周的努力，我和我的組員經(jīng)過不懈的努力，終于完成了這次課程設計，雖然在最終答辯環(huán)節(jié)有些磕磕絆絆，但是仍然很高興，畢竟學到了不少東西。 開始時，對于這次設計還是比較迷茫的，但經(jīng)過跟組員的討論以及老師的課前講解，還是確定了初步設計方案。開始進行硬件設計時，看到很多同學都是直接按照實驗指導書直接進行

25、連接。而我跟我的組員，則是根據(jù)分析一點一點連接電路理解了硬件的具體細節(jié)。其次在后面的指令設計及微指令設計都是對比課本知識仔細研討分析逐個解決。經(jīng)過幾天的研討分析，自己也鞏固了許多課堂上的知識，比如：對于時鐘周期，在本設計中，T1周期在控存中取微指令，T2周期將直接微地址和操作控制字段送入微指令寄存器，T3周期執(zhí)行微指令，T4周期，若有P測試，在P測試后強制更新微地址寄存器的內(nèi)容作為后續(xù)微地址，若沒有，則以直接微地址為后續(xù)微地址；最重要一點是：經(jīng)過一周的學習處不明白了硬件設計的步驟。首先就一個龐大的系統(tǒng)進行分層理解，這樣便于分析。對于這次題目：首先是硬件層面，其次是指令層面，然后是微程序控制器的

26、設計，最后是模型機的功能測試。而后進行各層的具體實現(xiàn)，直到最后測試通過才證明設計正確可行。在這一周的時間里，我們不僅鞏固了課堂知識，而且學會了如何去分析問題和解決問題。雖然在這個過程中，遇到了不少問題但是我們經(jīng)過仔細分析和請教老師、同學，最終都一一攻破解決了。8、致謝 很感謝xx老師在這課設中給予我們的悉心指導和溫馨鼓勵，既給我們以輕松的學習研討氛圍，又對我們嚴格要求，使我們很是享受這個過程。這次課設可以說是對自己一次很好地挑戰(zhàn)和鍛煉機會。同時也感謝我的組員駱磊對于這次課設的鼎力支持，正是我們的默契合作，才一步一步的走向成功的彼岸。9、附錄1、附錄一 整機測試代碼 $P 00 20 ; IN

27、R0,00H 從IN單元讀入計數(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 ;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 <=

28、> 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 ;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 $P 50 01 ; 數(shù)據(jù) $P 51 02 $P 52 03 $P 53 04 $P 54 05 $P 55 062、附錄二 微指令集合 格式： 控存地址微指令代碼（16進制）$M 00 000001 ; NOP $M

29、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 0B 000001 ; NOP $M 0C 103001 ; MEM->RD $M 0D 200601 ; 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 06B201 ; 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 06B2