計算機組成原理課程設(shè)計報告-基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)

課程設(shè)計說明書題目基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)系（部）計算機科學與技術(shù)專業(yè)（班級）08級計科、數(shù)據(jù)庫三班姓名周子照學號2008021406指導教師李南櫻起止日期2010年12月27?2011年1月5日課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：計算機組成原理設(shè)計題目：（共3個課題，最多3人一組，每組任選一題）基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)；帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)；復雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求：內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)：利用所學過的理論知識，特別是微程序設(shè)計的思想，寫出要設(shè)計的指令系統(tǒng)的微程序。設(shè)計環(huán)境為TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)，微機，虛擬軟件。將所設(shè)計的微程序在此環(huán)境中進行調(diào)試，并給出測試思路和具體程序段。最后撰寫出符合要求的課程設(shè)計說明書、完成答辯?；灸Ｐ蜋C設(shè)計與實現(xiàn)指令系統(tǒng)至少要包括六條不同類型指令：如一條輸入指令，一條減法指令，一條加法指令，一條存數(shù)指令，一條輸出指令和一條無條件轉(zhuǎn)移指令。帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)在基本模型機的基礎(chǔ)上增加左、右循環(huán)和左、右?guī)нM位循環(huán)四條指令設(shè)計不少于10條指令的指令系統(tǒng)。其中，包含算術(shù)邏輯指令，訪問內(nèi)存指令，程序控制指令，輸入輸出指令，停機指令。重點是要包括直接、間接、變址和相對尋址等多種尋址方式。以上數(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。具體要求：1、確定設(shè)計目標確定所設(shè)計計算機的功能和用途。2、確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類型、需要設(shè)計哪些指令及使用的尋址方式。確定相對應指令所包含的微操作。3、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。綜合考慮計算機的速率、性能價格比、可靠性等要求，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計算機的結(jié)構(gòu)也就不一樣。4、設(shè)計指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計指令系統(tǒng)中每條指令所需要的機器周期數(shù)。對于微程序控制的計算機，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。5、確定微程序地址根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每個微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。6、微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應的二進制代碼寫入到控制存儲器中的相應單元中。7、組裝、調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進行組裝和分調(diào)，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的正常運行。當所有功能模塊都調(diào)試正常后，進入總調(diào)試。連接所有模塊，用單步微指令方式執(zhí)行機器指令的微程序流程圖，當全部微程序流程圖檢查完后，若運行結(jié)果正確，則在內(nèi)存中裝入一段機器指令，進行其他的運行方式等功能調(diào)試及執(zhí)行指令的正確性驗證。課程設(shè)計說明書要求：課程設(shè)計說明書按學校統(tǒng)一格式撰寫和裝訂。課程設(shè)計報告要求打印，其中的數(shù)據(jù)通路框圖、微程序流程圖、實驗接線圖用VISIO等工具軟件繪制或用鉛筆工工整整繪制。（1）封面（包括：題目、所在系、班級、學號、指導教師及時間等項，可到教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）（2）任務(wù)書（3）目錄目錄要層次清晰，要給出標題及頁次，目錄的最后一項是無序號的“參考文獻”。（4）正文正文應按目錄中編排的章節(jié)依次撰寫，要求計算正確，論述清楚，文字簡練通順，插圖清晰，書寫整潔。文中圖、表及公式應規(guī)范地繪制和書寫。正文是實踐設(shè)計報告的主體，具體由以下幾部分組成：1）課程設(shè)計題目；2）課程設(shè)計使用的實驗設(shè)備；3）課程設(shè)計步驟（包括確定所設(shè)計計算機的功能和用途、指令系統(tǒng)、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路、設(shè)計指令執(zhí)行流程、確定微程序地址、微指令代碼化、組裝、調(diào)試。）4）課程設(shè)計總結(jié)（包括自己的收獲與體會；遇到的問題和解決的方法等）；（5）附錄附錄1：數(shù)據(jù)通路圖附錄2：微程序流程圖附錄3：實驗接線圖附錄4：實驗程序及微程序附錄5：參考文獻（資料）（格式規(guī)范參照長沙學院畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范）設(shè)計工作量:作品：設(shè)計的最終作品包括硬件和軟件兩個部分，要求能夠演示并達到設(shè)計指標的要求。每個學生(或小組)在作品完成后，要經(jīng)指導教師檢查，同意拆除后方可拆卸。論文：嚴格按上述課程設(shè)計說明書的要求撰寫和裝訂。每個學生一份。成績評定標準：課程設(shè)計的成績分為：優(yōu)秀:、良好、中等、及格、不及格五個等級。優(yōu)秀：完成復雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，指令系統(tǒng)完備有更新擴充。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。良好：完成模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，指令系統(tǒng)指令種類豐富有一定的更新。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。中等：完成基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，在老師指導下對指令系統(tǒng)有更新。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。及格：完成基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。不及格：沒有課程設(shè)計報告，無故缺勤，不能完成調(diào)試者不及格。工作計劃：時間：15、16周講授：2課時答疑及設(shè)計：22課時上機調(diào)試：12課時答辯：4課時指導教師簽名：日期：2010-12-10教研室主任簽名：日期：系主任簽名：日期：長沙學院課程設(shè)計鑒定表姓名周子照學號2008021406專業(yè)計算機科學與技術(shù)班級08數(shù)據(jù)庫三班設(shè)計題目基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)指導教師李南櫻指導教師意見：評定等級：教師簽名：日期：答辯小組意見:評定等級：—答辯小組長簽名：—日期：教研室意見:教研室主任簽名：日期：系（部）意見:系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五類；摘要^本次課程設(shè)計的任務(wù)是完成一個基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。設(shè)計經(jīng)過綜合運用了以前所學計算機原理的知識，依照設(shè)計要求和指導，實現(xiàn)了一個基本的模型計算機。本模型機實現(xiàn)的功能有：IN（輸入）,OUT（輸出），ADD（加法），SUB（減法），STA（存

數(shù)），JMP（跳轉(zhuǎn)）。設(shè)計進行開始，在了解微程序的基本格式，及各個字段值的作用后，按微指令格式參照指令流程圖，設(shè)計出程序以及微程序，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，并將二進制代碼轉(zhuǎn)換為聯(lián)機操作時的十六進制格式文件。根據(jù)機器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定微地址。設(shè)計的加法和減法中，被加數(shù)和被減數(shù)都由調(diào)試人員輸入，而加數(shù)和減數(shù)都從存儲器中讀取.最后上機調(diào)試，各個功能運行結(jié)果正確。關(guān)鍵詞:基本模型機；機器指令；微指令目錄關(guān)鍵詞:基本模型機；機器指令；微指令1、課程設(shè)計題目TOC\o"1-5"\h\z2、實驗設(shè)備13、課程設(shè)計步驟1\o"CurrentDocument"3.1、所設(shè)計計算機的功能和用途1\o"CurrentDocument"3.2、指令系統(tǒng)2\o"CurrentDocument"3.3、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路2\o"CurrentDocument"3.4、設(shè)計指令執(zhí)行流程3\o"CurrentDocument"3.5、微指令代碼化4\o"CurrentDocument"3.6、組裝和調(diào)試5\o"CurrentDocument"4、課程設(shè)計總結(jié)7\o"CurrentDocument"5、附錄8附錄1：數(shù)據(jù)通路圖8附錄2:微程序流程圖9\o"CurrentDocument"附錄3：實驗接線圖10附錄4：實驗程序及微程序11附錄5：參考文獻（資料）121、課程設(shè)計題目基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)2、實驗設(shè)備TDN-CM++計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，微機，虛擬軟件，排線若十。3、實驗步驟3.1所設(shè)計計算機的功能和用途設(shè)計的基本模型機的指令系統(tǒng)至少要包括六條不同類型的指令：一條輸入指令，一條減法指令,一條加法指令，一條存數(shù)指令，一條輸出指令和一條無條件轉(zhuǎn)移指令。利用此模型機完成加法和減法操作。兩個操作都能讀入被加（減）數(shù)，從內(nèi)存中讀取加（減）數(shù)，運算后都能保存運算結(jié)果，并且都將結(jié)果輸出。3.2指令系統(tǒng)本課程設(shè)計采用六條機器指令：IN（輸入），OUT（輸出），ADD（二進制加法），SUB（減法），STA（存數(shù)），JMP（無條件轉(zhuǎn)移）。其指令格式及說明如下表：表1指令系統(tǒng)編碼序號助記符機器指令碼功能說明1IN00000000"INPUTDEVICE"中的開關(guān)狀態(tài)fR02ADDaddr00010000********R0+[addr]fR03STAaddr00100000********R0f[addr]4OUTaddr00110000********[addr]fDR1fLED5JMPaddr01000000********[addr]fPC6SUBaddr01010000********R0-[addr]fR0其中：IN為單字長（8位），其余為雙字長指令，********為addr對應的二進制地址碼。3.3總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)的設(shè)置如下：1、寄存器的設(shè)置R0、R1、R2為通用寄存器，8位；IR為指令寄存器，8位；PC為程序計數(shù)器，8位；AR為地址寄存器，8位；DR1、DR2為數(shù)據(jù)寄存器2、運算器的設(shè)置ALU為運算器數(shù)據(jù)通路可見附錄1的數(shù)據(jù)通路圖。3.4設(shè)計指令執(zhí)行流程本課程設(shè)計設(shè)計的機器指令程序如下表：

地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說明0000000000000000INR0"INPUTDEVICE”—R00000000100010000ADD[10H],R0R0+[10H]fR000000010000100000000001100100000STAR0,[11H]R0—[11H]00000100000100010000010100110000OUT[11H][11H]—LED00000110000100010000011100000000INR0"INPUTDEVICE"—R00000100001010000ADD[10H],R0R0-[10H]fR000001001000100000000101000100000STAR0,[12H]R0—[12H]00001011000100100000110000110000OUT[12H][12H]—LED00001101000100100000111001000000JMP00H00H—PC00001111000000000001000000000001自定00010010求和結(jié)果00010011求差結(jié)果3.5微指令代碼化當全部微程序設(shè)計完畢后，應將每條微指令代碼化，下表即為“二進制微代碼表”

表3基本模型機二進制微程序代碼表微地址S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCUA5?UA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000010010000300000000111000000000010004000000001011000000000101050000000110100010000001100610010101100110100000000107000000001110000000011001100000000000010000000000011100000001111011011000001112000000011110110110000111130000000111101101100011101400000001111011011001011015000000011110110110011010160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000001101000110000001270000011100001010000100003000000110100010100001000131000000101000001000000001320000000011100000000110113300000000101100000001110034000000011010001000011101350110010110011010000000013.6組裝和調(diào)試本設(shè)計采用的方法是聯(lián)機讀/寫程序。按照規(guī)定格式，將機器指令及微指令二進制表編輯成十六進制格式文件。打開電源，運行聯(lián)機軟件的CMP.EXE，根據(jù)所使用的PC微機串口選擇鍵入1或2,測試通過后，進入主菜單，如下表：表4聯(lián)機軟件主菜單F1_EditF2_P/WPRF3_R/WCRF4_LoadF5_SaveF6_DebugF7_WaveF8Exit進入主菜單后，用傳送文件功能(F4_Load)將該格式文件傳入實驗系統(tǒng)。此功能鍵可完成對程序存儲器及控制存儲器的寫入。按下“F4”，系統(tǒng)提示輸入需裝入的文件名，輸入后回車，系統(tǒng)開始裝入程序，成功后，屏幕顯示“裝入完成”。裝入的文件必須在當前路徑，文件格式應符合全屏幕編輯的規(guī)定。若文件不在當前路徑，拷貝至當前目錄即可。運行程序單步運行程序使編程開關(guān)處于“RUN”狀態(tài)，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。撥動總清開關(guān)CLR(0-1)，微地址清零，PC計數(shù)器清零，程序首地址為00H。單步運行一條微指令，每按動一次START鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。當運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元（0B）中的結(jié)果是否和理論值一致。連續(xù)運行程序使“STATEUNIT”中的STEP開關(guān)置于“EXEC”狀態(tài)，STOP開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)。撥動CLR開關(guān)，清微地址及PC計數(shù)器，按動START,系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將STOP撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。停機后，可檢查存數(shù)單元（0B）結(jié)果是否正確。若聯(lián)機運行程序時，按下“F6”進入調(diào)試界面進入DEBUG調(diào)試界面，總清開關(guān)CLR（0-1）清零后，程序首地址為00H，按相應功能鍵即可聯(lián)機運行、調(diào)試程序。執(zhí)行完一條指令后，計算機會根據(jù)指令的執(zhí)行過程在屏幕上畫出數(shù)據(jù)流圖，有效的控制信號用高亮顯示，并將下一條微指令顯示在屏幕下方，可以直接地觀察到指令的執(zhí)行過程。1：單步執(zhí)行機器指令。一條機器指令對應一段微程序，每執(zhí)行一條微指令，計算機同時顯示數(shù)據(jù)流圖，執(zhí)行完整條機器指令后停機，此時可以再鍵入“F1”繼續(xù)單步下一條機器指令。2：單步微程序。每按動一次“F2”，單步執(zhí)行一條微指令，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。3：連續(xù)運行。按下“F3”后，系統(tǒng)開始連續(xù)運行程序，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。此時按下任意鍵可終止程序運行。注意，按任意鍵有可能不會立即終止程序運行，只有當一條機器指令運行完后，此命令才有效。4：返回主菜單，按ESC鍵也可完成。4、課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計，在李老師的幫助和指導下，以及三個組員的積極配合，努力工作，有了一周時間基本實現(xiàn)了課程設(shè)計的基本要求和功能。通過緊張有序的幾天的課程設(shè)計實踐，不僅讓我們對基本模型機原理和微程序的編輯、寫入方法有了進一步的了解，也讓我們覺得自己的動手能力有了很大的提高;在課程設(shè)計中自己思考解決遇到的問題，理論知識得到實際體驗，這鞏深化和鞏固了自己的知識結(jié)構(gòu)；組員之間緊密配合工作，更加理解了團隊合作精神。本設(shè)計的難點在于測試字位P(1)、P(4)的功能，只要理解了它是怎么實現(xiàn)程序的順序、分支、循環(huán)運行的，其它的步驟即可迎刃而解。通過這次實踐，使我們懂得，只要自己在每一次實踐中都能仔細思考，能親自動手，課程設(shè)計中遇到的難點都可以順利解決。每個同學都要多操作演示，理解各個步驟的意義，只有多操作才能從中發(fā)現(xiàn)問題，及時解決問題，從而更好的掌握實驗的基本原理。課程設(shè)計目的除工作量和設(shè)計質(zhì)量之外,更重要的是認真去對待，通過設(shè)計實踐對理論知識有了更深刻的認識，并從中學到書本上學不到的知識。5、附錄附錄1:數(shù)據(jù)通路圖圖1基本模型機數(shù)據(jù)通路圖附錄2：微程序流程圖運行微程序RAM^BLS

BUSTR10ADD11PC—ARPC+1SW—RORAM-BUSBUSfROLT13PC—ARPC-i]07RAM^BLS

BUSTLtRAM一BUS

BUS-*DR2RO-BUSBLRAMPC—ARPC+110ADD11PC—ARPC+1SW—RORAM-BUSBUSfROLT13PC—ARPC-i]07RAM^BLS

BUSTLtRAM一BUS

BUS-*DR2RO-BUSBLRAMPC—ARPC+1115PC—ARPC+IPCfRPCH126r132RAMBLSHUSSARRAMBLSLil；AR133rJMPSLB01RAM^BLSBUSBARRAM-BLS

BUS-*DR1RAM-*BUS

BLS-DR2RO-DRl/01DRILLEDR0-DR1(DR1HDR2)

fRO.+/01(DRl)-(l)R2)(DR1HDR2)

fRO.+/01(DRl)-(l)R2)—RO附錄3：