湖南工程學(xué)院-復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程名稱 計(jì)算機(jī)組成原理 課題名稱 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 唐北平、陳華光、陳多、 年 月日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 計(jì)算機(jī)組成原理 課 題 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 唐北平、陳華光、陳多 審 批 陳華光 任務(wù)書下達(dá)日期 任務(wù)完成日期 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求1設(shè)計(jì)內(nèi)容模型機(jī)是由五個(gè)部分組成的計(jì)算機(jī)，通過它可以理解計(jì)算機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能，理解CPU、存儲(chǔ)器、中斷控制器、總線的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)邏輯和各部件之間的接口關(guān)系。本次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用西安唐都公司的TDN-

2、CM+的內(nèi)部可編程資源，設(shè)計(jì)一個(gè)模型計(jì)算機(jī)。本課程設(shè)計(jì)的主要目的是通過部件級(jí)的模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)由5部分組成，掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，從“指令微指令微操作”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。2設(shè)計(jì)要求：(1) 借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲(chǔ)器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時(shí)序信號(hào)單元，寄存器組，總線，輸入輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計(jì)一臺(tái)的模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)包括模型計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用匯編語言完成設(shè)計(jì)并調(diào)試成功。(2) 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)要求 (參考

3、P107-115)模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類指令共十六條，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。設(shè)計(jì)9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。設(shè)計(jì)2條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2 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)移指令（BZC）。設(shè)計(jì)2 條I/O 指令，輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令。設(shè)計(jì)停機(jī)指令1條用單字節(jié)表示。(3) 調(diào)試的程序第一組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02

4、 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 F5 RLC R1 R1 R1右移一位$P05 0C BZC 00 00 00-PC$P06 00 第二組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 45 IN 01 R1 INPUT device-R1 $P01 00 LDA 00 00 R0 (20)- R0$P02 20 $P03 86 MOV R1 R2 R1-R2$P04 A8 SBC R2 R0 R2-R0-CY-R0$P05 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P06 0C BZC 00 00 00-PC$P07 0

5、0第三組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 46 IN 01 R2 INPUT device-R2 $P01 84 MOV R2 R0 R2- R0$P02 44 IN 01 R0 INPUT device-R0 $P03 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P04 E2 COM R2 NOT R2 -R0$P05 D6 STA 00 0A R2 R2 -(0A)$P06 0A$P07 0C BZC 00 00 00-PC$P08 00在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以小組為單位完成相關(guān)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)測(cè)試和記錄并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?。要?同一小組的每個(gè)同學(xué)必須分析一條不同的機(jī)器指令的微

6、程序的組成,說明組成該機(jī)器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號(hào)的組成)。要求修改一條微指令。(4)按本任務(wù)書的要求，編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告（Word文檔格式）。并用A4的復(fù)印紙打印并裝訂。 (5)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，請(qǐng)各班學(xué)習(xí)委員收齊課程設(shè)計(jì)報(bào)告在星期五交陳華光老師。3分組及安排分5組，學(xué)號(hào)除以5取余數(shù)，余數(shù)為0的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)1、余數(shù)為1的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)2，余數(shù)為2的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)3，余數(shù)為3的同學(xué)做基于RISC的模型機(jī)，余數(shù)為4的做流水線模型機(jī)，每個(gè)組必須獨(dú)立完成指定的題目，每個(gè)同學(xué)按要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。4成績(jī)?cè)u(píng)定程序設(shè)計(jì)方案是否合理；程序設(shè)計(jì)是否正確；調(diào)試結(jié)果；設(shè)計(jì)說明書的質(zhì)量高

7、低；答辯時(shí)回答問題情況；課程設(shè)計(jì)周表現(xiàn)情況；總評(píng)成績(jī)記入“課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表”。二、進(jìn)度安排第 2周，具體安排如下：星期時(shí)間班級(jí)內(nèi)容地點(diǎn)第2周星期一8:3011:30布置任務(wù)，任務(wù)安排星期二8:3011:30接線星期二14:3017:30接線星期三8:3011:30編程星期三14:3017:30調(diào)試星期四14:3017:30系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn)星期五8:3011:30測(cè)試程序，寫報(bào)告目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc461460253 一、課題的主要功能 PAGEREF _Toc461460253 h 8 HYPERLINK l _Toc461460254 二、總體

8、設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc461460254 h 9 HYPERLINK l _Toc461460255 三、數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc461460255 h 12 HYPERLINK l _Toc461460256 四、指令和和微程序的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc461460256 h 15 HYPERLINK l _Toc461460257 五、線路連接圖 PAGEREF _Toc461460257 h 16 HYPERLINK l _Toc461460258 六、微程序流程及說明 PAGEREF _Toc461460258 h 17 HYPERLINK

9、l _Toc461460259 （1）微程序截圖流程 PAGEREF _Toc461460259 h 17 HYPERLINK l _Toc461460260 （2）修改后的機(jī)器指令 PAGEREF _Toc461460260 h 19 HYPERLINK l _Toc461460261 七、課程設(shè)計(jì)的收獲及體會(huì) PAGEREF _Toc461460261 h 23 HYPERLINK l _Toc461460262 八、參考資料 PAGEREF _Toc461460262 h 24 HYPERLINK l _Toc461460263 九、評(píng)分表 PAGEREF _Toc461460263 h

10、 25一、課題的主要功能本課題設(shè)計(jì)的主要目的是通過部件級(jí)的模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)由5部分組成，掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，從“指令微指令微操作”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。此次課題的目的是完整設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步建立整機(jī)的概念。借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲(chǔ)器，微命令寄存器、地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時(shí)序信號(hào)單元，寄存器組，總線，輸入、輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計(jì)一臺(tái)的模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)包括模型計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用匯編語言完成設(shè)計(jì)并調(diào)試成功因此我們先通過

11、一個(gè)復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，然后安排了用CPLD 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)CPU 中的大部分功能的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，接著討論了輸入輸出系統(tǒng)的概念、分類、接口、尋址、基本控制方式等，根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，寫入到控制存儲(chǔ)器中的相應(yīng)單元中。在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的運(yùn)行正確。二、總體設(shè)計(jì)方案 (1) 復(fù)雜模型機(jī)的邏輯框圖 以控制器為中心，首控制器從指令寄存器取得指令，編譯指令，再輸出微控制信號(hào)，控制ALU的運(yùn)算，PC加一，并且從

12、RAM中取出數(shù)據(jù)運(yùn)算，運(yùn)算后再把結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線存到RAM，在指令寄存器讀去下一條指令，依次循環(huán)。 圖1 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖2、用框圖語言表示模型機(jī)的指令執(zhí)行流程圖2 模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖 三、數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì)1、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)，且字長(zhǎng)為位，其格式如下： 符號(hào)尾 數(shù)其中第 7 位為符號(hào)位，相對(duì)于十進(jìn)制數(shù)值表示范圍是：2 7X2 71。 2、模型機(jī)的尋址方式、操作數(shù)的尋址就是尋找形成操作數(shù)在主存中的地址的方法。設(shè)指令格式如下：操作碼（OP） 尋址特征 形式地址形式地址（D）：指令地址字段中給出的地址。 有效地址（EA）：形式地址經(jīng)過一定計(jì)算而得到的操作數(shù)的

13、實(shí)際地址。 常用尋址方式如下： (1)隱含尋址：指令中不指出操作數(shù)的地址，而是隱含在累加器或堆棧等，由它們給出操作數(shù)。 (2)立即尋址：指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身。即數(shù)據(jù) data = D。 (3) 直接尋址：操作數(shù)的地址直接在指令中給出，即操作數(shù)的有效地址為 EA = D。 (4)間接尋址：指令的形成地址 D 在主存相應(yīng)單元中的內(nèi)容是操作數(shù)的地址，即操作數(shù)的有效地址為 EA =（D）。 (5)寄存器尋址：指令中給出的是寄存器號(hào) R，操作數(shù)就是寄存器中的內(nèi)容，即 data=（R）。 (6) 寄存器間接尋址：指令中給出的是寄存器號(hào) R，而操作數(shù)的地址就是寄存器中的內(nèi)容，

14、即 EA =（R）。 (7)相對(duì)尋址：操作數(shù)地址為程序計(jì)數(shù)器 PC 中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以補(bǔ)碼形式給出，可正可負(fù)。即 EA=（PC）+D。 (8) 基址尋址：操作數(shù)地址為基址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 +D(9)變址尋址：操作數(shù)地址為變址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和， 3、 指令格式(p107-115)由于本模型機(jī)機(jī)器字長(zhǎng)只有8位二進(jìn)制長(zhǎng)度，故使用單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令。根據(jù)要求,設(shè)計(jì)該模型機(jī)能執(zhí)行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1) 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令 9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和

15、具體格式見表 7.2-1。 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下： OP-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000110R0R1R2 (2) 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令 模型機(jī)設(shè)計(jì) 2 條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2 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)移指令（BZC），指令格式為： 7 65 43 21 000MOP-CODERD D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

16、為尋址模式，其定義如下： 尋址模式 M有效地址 E說 明 00 01 10 11 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(duì)尋址 (3) I/O 指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： 其中，addr=01 時(shí)，選中“INPUT DEVICE”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10 時(shí)，選中“OUTPUT DEVICE”中的數(shù)碼塊作為輸出設(shè)備。(4) 停機(jī)指令指令格式如下：HALT 指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。四、指令和和微程序的設(shè)計(jì)(1)指令系統(tǒng)本模型機(jī)共有16 條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令條，訪問內(nèi)存指令和程序控

17、制指令條，輸入輸出指令條，其它指令1 條。表X列出了各條指令的格式、匯編符號(hào)、指令功能。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， 表X 即為將圖X微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時(shí)的十六進(jìn)制格式文件，見下表X。2423222120191817161514 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A5、五、線路連接圖六、微程序流程及說明（1）微程序截圖流程5-1取指令，指令譯碼5-2把操作數(shù)送到R1中5-3取指令，指令譯碼。5-4把操作數(shù)送到

18、R2中5-5把R2，R1的值送到運(yùn)算器中并運(yùn)算。（2）修改后的機(jī)器指令第一組地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符 說明$P00 44 IN 01 R0 INPUT device-R0$P01 46 IN 01 R2 INPUT device-R2$P02 98 ADC R2 R0 R2+R0+CY-R0$P03 81 MOV R0 R1 R0-R1$P04 f4 RRC R1 R1$P05 0C BZC 00 00 00-PC$P06 00$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300A004$M0400E0A0$M0500E006$M0600A007$M0700E0A0$

19、M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A03B$M0B018001$M0C00203C$M0D00A00E$M0E01B60F$M0F95EA25$M1001ED83$M1101ED85$M1201ED8D$M1301EDA6$M14001001$M15030401$M16018016$M173D9A01$M18019201$M1901A22A$M1A01B22C$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401$M2205DB81$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AAA0$M2A01B42B$M2B959B41$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37308838$M38019801