復(fù)雜模型機(jī)的組成與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、0 / 19 文檔可自由編輯打印內(nèi)蒙古師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院計(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 題目十五題目十五: :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 名名劉玉華劉玉華學(xué)學(xué) 號號38463846班班 級級1010計(jì)科漢師范班計(jì)科漢師范班指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 侯宏霞侯宏霞職稱職稱 教師教師日日 期期20132013年年7 7月月7 7日日1 / 19 文檔可自由編輯打印 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

2、.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).53.3.2 實(shí)驗(yàn)操作.74 代碼代碼清清單單.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.162 / 19 文檔可自由編輯打印題目五題目五 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

3、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。START: IN R0,00H ；從 IN 單元讀入計(jì)數(shù)初值 LDI R1,0FH ；立即數(shù) 0FH 送 R1 AND R0,R1 ；得到 R0 低四位 LDI R1,00H ；裝入和初值 00H BZC RESULT ；計(jì)數(shù)值為 0 則跳轉(zhuǎn) LDI R2,60H ；讀入數(shù)據(jù)始地

4、址LOOP: LAD R3,RI,00H ；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 ；裝入比較值 SUB R0,R3 BZC RESULT ；相減為 0，表示求和完畢 JMP LOOP ；未完則繼續(xù) RESULT: STA 70H,R1 ；和存于 MEM 的 70H 單元 OUT 40H,R1 ；和在 OUT 單元顯示 JMP START ；跳轉(zhuǎn)至 START HLT ；停機(jī) 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

5、 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，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)過的計(jì)算機(jī)組成原理知識，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 / 19 文檔可自由編輯打印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)，字長為位，8 位全用來表示數(shù)據(jù)（最高位不表示符號），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)

6、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?？刂妻D(zhuǎn)移類指令有三條HLT（停機(jī)）、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

7、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7 6 5 4 3 21 0操作碼RSRDRS或RD對應(yīng)的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R34 / 19 文檔可自由編輯打印其中括號中的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

8、： 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：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

9、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HALT.表3-1-2 列出了各條指令的匯編符號、指令格式及指令功能說明。詳細(xì)說明見表3.1.2。7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2)操作碼RSRDI/O端口號7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作碼RSRD Data7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作碼MRD D5 / 19 文檔可自由編輯打印 表3.1.2 指令描述表3.1.2 指令描

10、述3.23.2 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，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，僅采用一種測試是不能夠滿足要求的，因此參照實(shí)驗(yàn)手冊上的指令譯碼電路設(shè)計(jì)了電路圖，如圖2二所示： 6 / 1

11、9 文檔可自由編輯打印 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，對寄存器的選擇通過對指令低四位進(jìn)行測試，判斷得到相應(yīng)的寄存器號。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，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

12、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7 / 19 文檔可自由編輯打印碼表轉(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8 / 19 文檔可自由編輯打印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)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

13、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；為注釋符，分號后面的內(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。9 / 19 文檔可自由編輯打印4 4 代碼清單代碼清單 4.14.1 微程序流圖微程序流圖 10 / 19 文檔可自由編輯打印圖 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)器、AR 地址寄存器、主存 MEM、通用寄存器 R0、R1、R2、R3、IN

14、 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; /* /; / /; / 復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)指令文件 /; / /; / By TangDu CO.,LTD /; / /; /* /; /* Start Of Main Memory Data * /$P 00 20 ; START: IN R0,00H 從IN 單元讀入計(jì)數(shù)初值$P 01 00$P 02 61 ; LDI R1,0FH 立即數(shù)0FH 送R1$P 03 0F$P 04 14 ; AND R0,R1 得到R0 低四位$P 05 61 ; LDI R1,00H 裝入和初值0

15、0H$P 06 00$P 07 F0 ; BZC RESULT 計(jì)數(shù)值為0 則跳轉(zhuǎn)$P 08 16$P 09 62 ; LDI R2,60H 讀入數(shù)據(jù)始地址$P 0A 60$P 0B CB ; LOOP: LAD R3,RI,00H 從MEM 讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址，偏移量為 00H$P 0C 00$P 0D 0D ; ADD R1,R3 累加求和$P 0E 72 ; INC RI 變址寄存加1，指向下一數(shù)據(jù)$P 0F 63 ; LDI R3,01H 裝入比較值$P 10 01$P 11 8C ; SUB R0,R3$P 12 F0 ; BZC RESULT 相減為0，表示求和完畢$P 13

16、 16$P 14 E0 ; JMP LOOP 未完則繼續(xù)$P 15 0B$P 16 D1 ; RESULT: STA 70H,R1 和存于MEM 的70H 單元$P 17 70$P 18 34 ; OUT 40H,R1 和在OUT 單元顯示11 / 19 文檔可自由編輯打印$P 19 40$P 1A E0 ; JMP START 跳轉(zhuǎn)至START$P 1B 00$P 1C 50 ; HLT 停機(jī)$P 60 01 ; 數(shù)據(jù)$P 61 02$P 62 03$P 63 04$P 64 05$P 65 06$P 66 07$P 67 08$P 68 09$P 69 0A$P 6A 0B$P 6B 0C

17、$P 6C 0D$P 6D 0E$P 6E 0F; /* End Of Main Memory Data */; /* Start Of MicroController Data */$M 00 000001 ; NOP$M 01 006D43 ; PC-AR, PC 加1$M 03 107070 ; MEM-IR, 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 ; M

18、EM-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 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$M 17 002418 ; RS-B12 / 19 文檔可自由編輯打印$M 18 02B201 ;

19、 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 ; 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

20、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$M 36 006D51 ; PC-AR, PC 加1$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 ;

21、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 */13 / 19 文檔可自由編輯打印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：14 / 19 文檔可自由編輯打印實(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)了從內(nèi)存60H單元開始的幾個(gè)數(shù)據(jù)的累加求和。根據(jù)現(xiàn)有指令，在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算：從IN 單元讀入一個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)讀入數(shù)據(jù)的低4位值X，求1+2+X 的累加和，01H 到0FH 共15 個(gè)數(shù)據(jù)存于60H 到6EH 單元

22、。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)是對計(jì)算機(jī)組成原理所學(xué)理論知識的一次大檢閱，是集知識的綜合應(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

23、深刻的理解，并加深了對理論課程的理解。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：1、加深了對實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識 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)算機(jī)所識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應(yīng)的微程序，寫入控制存儲器中，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器中讀出相應(yīng)的微程序，執(zhí)行每條微指令的過程。15 / 19 文檔可自由編輯打印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

24、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，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)計(jì)的目的。4、激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性此次課程設(shè)計(jì)的過程中，弄清了以前在上理論課時(shí)的疑難問題，因此信心有了很大的增強(qiáng)，對計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的興趣也不斷提高，在一定程度上增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的積極性。5、培養(yǎng)了我在做事方面的耐心及細(xì)心程度由于這次設(shè)計(jì)的線路復(fù)雜度高，連接線路是一種細(xì)活，稍微不小心把一條線路搞錯(cuò)就全錯(cuò)了，經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)箱的具體認(rèn)識，重復(fù)了 5 遍才把實(shí)驗(yàn)電路連接正確，真的感覺細(xì)心和耐心在做實(shí)驗(yàn)中的重要性。在以后的學(xué)習(xí)、工作中，我們都要耐心、仔細(xì)，不能忽視任何一個(gè)細(xì)小的問題，只有這樣，我們才以最高的效率完成任務(wù)。想要成功，必須使