計算機組成原理課程設計(同或運算、比較兩個數(shù)大小)

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題目: 設計指令系統(tǒng)實現(xiàn)同或運算、比較兩個數(shù)大小 </p><p>　　院 系： 計算機科學與工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級： 計算機課10-* </p><p>　　學 號： **

2、* </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2013年 01 月 09 日</p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　計算機科學與工程學院

3、 計算機科學與技術系</p><p>　　2013年01月09日 </p><p>　　課程設計（論文）成績</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　計算機組成原理課程設計課題是基本模型機的設計與實現(xiàn)。利用CPU與簡單模型機來實現(xiàn)計算機組成原

4、理課程設計，編寫指令的應用程序，用微程序控制器實現(xiàn)一系列的指令功能，最終達到將理論與實踐相聯(lián)系。本次設計完成了相關指令的格式以及編碼的設計，實現(xiàn)了機器指令微代碼，完成具有一定功能的程序。</p><p>　　同或運算和比較兩個數(shù)大小是在基本模型機的基礎上構建一組能實現(xiàn)輸入、輸出、減、邏輯與、邏輯或、邏輯非、跳轉這7個功能的指令,這些指令的助記符不得與指導書上相同。指令包括立即尋址和寄存器尋址兩種尋址方式。利用新構

5、建的指令系統(tǒng)編程，實現(xiàn)同或運算和比較兩數(shù)大小的功能。</p><p>　　本次課程設計分為以下幾各面:</p><p>　　系統(tǒng)分析,對系統(tǒng)設計的背景和設計目標做了一個簡單的介紹;</p><p>　　從模型機的指令系統(tǒng)入手,對整個系統(tǒng)的指令系統(tǒng)進行設計;</p><p>　　使用設計好的指令系統(tǒng)實現(xiàn)同或運算和比較兩個數(shù)的大小關系;</

6、p><p>　　最后還進行了對本次設計的總結和對設計的系統(tǒng)的改進工作提出了一些建議;</p><p>　　本次課程設計偏重于對計算機工作的原理和計算機微機的指令系統(tǒng)學習和深入的了解。</p><p>　　對以后的學習打下一個好的基礎。</p><p>　　關鍵詞：指令，計算機組成原理，指令系統(tǒng)，模型機，同或運算，比較兩個數(shù)大小</p>

7、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1系統(tǒng)分析1</b></p><p>　　1.1 設計背景1</p><p>　　1.2 設計目標2</p><p><b>　　2系統(tǒng)設計3</b></p><p>　

8、　2.1 模型機的指令系統(tǒng)設計3</p><p>　　2.2 模型機的微指令設計3</p><p>　　2.3同或運算的設計5</p><p>　　2.4比較兩數(shù)大小的設計5</p><p><b>　　3系統(tǒng)實現(xiàn)7</b></p><p>　　3.1同或運算的實現(xiàn)7</p>

9、;<p>　　3.1.1實驗步驟7</p><p>　　3.1.2程序釋義10</p><p>　　3.2比較兩數(shù)大小的實現(xiàn)11</p><p>　　3.2.1實驗步驟11</p><p>　　3.2.2程序釋義16</p><p><b>　　4總結18</b><

10、/p><p>　　4.1設計體會18</p><p>　　4.2系統(tǒng)改進18</p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　1系統(tǒng)分析</b></p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p>

11、<p>　　一臺計算機所能執(zhí)行的各種指令集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。一臺特定的計算機只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機的機器語言。指令系統(tǒng)表征著計算機的基本功能和使用屬性，它是計算機系統(tǒng)設計中的核心問題。指令系統(tǒng)的設計主要括指令功能、操作類型的設計以及尋址方式和指令格式的設計。</p><p>　　計算機的性能與它所設置的指令系統(tǒng)有很大的關系，指令系統(tǒng)反映了計算機的主要屬性，而指令系統(tǒng)

12、的設置又與機器的硬件結構密切相關。指令是計算機執(zhí)行某種操作的命令，而指令系統(tǒng)是一臺計算機中所有機器指令的集合。通常性能較好的計算機都設置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，而指令功能的實現(xiàn)需要復雜的硬件結構來支持。 </p><p>　　本課程設計的模型機的指令碼為8位，根據(jù)指令類型的不同，可以有0到2個操作數(shù)，指令碼的最低兩位用來選擇R0-R3寄存器。在微程序控制方式下，用指令碼作為微地址來尋址微程序存儲

13、器，找到執(zhí)行該指令的微程序。在本模型機中，一條指令最多分為四個狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期為一個時鐘脈沖，每個狀態(tài)周期產生不同的控制邏輯，實現(xiàn)模型機的各種功能。模型機有24位控制位以控制寄存器的輸入輸出，選擇運算器的運算功能，存儲器的讀寫。</p><p>　　簡而言之，這次設計，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條

14、機器指令對應一條微程序，一條微程序又有若干微指令組成，一條微指令的功能由24位操作信號（即控制位）實現(xiàn)。</p><p>　　本設計是在DJ-CPT816計算機組成原理實驗儀和仿真軟件上進行的。</p><p>　　24位控制位分別介紹如下：</p><p>　　XRD：外部設備讀信號，當給出個外設的地址后，輸出此信號，從指定外設讀數(shù)據(jù)。</p>&l

15、t;p>　　EMWR：程序存儲器EM寫信號。</p><p>　　EMRD：程序存儲器EM讀信號。</p><p>　　PCOE：將程序計數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上。</p><p>　　EMEN：將程序存儲器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，有EMWR和EMRD決定是將DBUS數(shù)據(jù)寫入EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)到DBUS。</p><p

16、>　　IREN：將程序存儲器EM獨處的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計數(shù)器uPC。</p><p>　　EINT：中斷返回時清除中斷響應和中斷請求標志，便于下次中斷。</p><p>　　ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR2，IR3位結合，控制程序跳轉。</p><p>　　MAREN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)打入地址寄存器MAR。</p>

17、<p>　　MAROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。</p><p>　　OUTEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器OUT里。</p><p>　　STEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)存到堆棧寄存器里。</p><p>　　RRD：讀寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。</p><p&

18、gt;　　RWR：寫寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。</p><p>　　CN：決定運算器是否帶進位移位，CN=1帶進位，CN=0不帶進位。</p><p>　　FEN：將標志位存入ALU內部的標志寄存器。</p><p>　　X2，X1，X0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的哪個寄存器，如表1所示。</p><p

19、>　　WEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入工作寄存器W中。</p><p>　　AEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入累加器A中。</p><p>　　S2,S1,S0三位組合決定ALU做何種運算，如表2所示：</p><p>　　表1 選擇具體的寄存器</p><p><b>　　表2 ALU運算</b></p

20、><p><b>　　1.2 設計目標</b></p><p>　　本次課程設計要求實現(xiàn)的機器指令如下：</p><p>　?。?）INPUT:表示輸入指令；</p><p>　?。?）OUTPUT:表示輸出指令；</p><p>　?。?）JIAN:表示減法指令；</p><p&

21、gt;　　（4）CHS:表示傳送指令；</p><p>　?。?）YU:表示與運算指令；</p><p>　?。?）HUO:表示或運算指令；</p><p>　　（7）FEI:表示非運算指令；</p><p>　?。?）TZH_C:表示有進位或有借位時的跳轉（轉移）指令；</p><p>　?。?）TZH_Z:表示結果

22、為零時的跳轉（轉移）指令；</p><p>　?。?0）TZH_N:表示無條件跳轉（轉移）指令。</p><p>　　在實現(xiàn)同或運算和比較兩個數(shù)大小的功能時，包含了立即尋址和寄存器尋址兩種尋址方式。最后要在設計的指令系統(tǒng)基礎上，編寫程序實現(xiàn)同或運算和比較兩個數(shù)大小的功能。</p><p><b>　　2系統(tǒng)設計</b></p>&

23、lt;p>　　2.1 模型機的指令系統(tǒng)設計</p><p>　　根據(jù)設計要求，設計出的指令應包括輸入、輸出、減、邏輯與、邏輯或、邏輯非、跳轉（轉）移這7個功能的指令，且要使用立即尋址和寄存器尋址兩種尋址方式。根據(jù)以上要求設計出的指令集如表3所示。</p><p><b>　　表3 指令集</b></p><p>　　2.2 模型機的微指令

24、設計</p><p>　　微指令集如表4所示。</p><p><b>　　表4 微指令集</b></p><p>　　2.3同或運算的設計</p><p><b>　　設計思路：</b></p><p>　　根據(jù)同或運算的表達式A⊙B=AB+可知，輸入兩個數(shù)A和B后，分別先

25、將A和B做邏輯與運算得到一個結果，然后再分別對A和B取反后再做邏輯與運算得到一個結果，最后再將兩個結果做邏輯或運算即能得到同或運算的結果。程序流程圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 同或運算程序流程圖</p><p>　　2.4比較兩數(shù)大小的設計</p><p><b>　　程序設計思路：</b></p><p>

26、　　將輸入的第二個數(shù)減第一個數(shù)，根據(jù)標志位比較兩數(shù)的大小?？梢韵仁孪纫?guī)定：若輸入的第一個數(shù)比第二個數(shù)小，則輸出結果是1，轉換為十六進制數(shù)就是01H；若輸入的第一個數(shù)和第二個數(shù)相等，則結果輸出是0，轉換為十六進制數(shù)就是00H；若輸入的第一個數(shù)比第二個數(shù)大，則結果是-1，由于負數(shù)在計算機中已補碼形式表示，所以轉換為十六進制數(shù)就是FFH。程序流程圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 比較兩個數(shù)的大小程序流程圖<

27、;/p><p><b>　　3系統(tǒng)實現(xiàn)</b></p><p>　　3.1同或運算的實現(xiàn)</p><p><b>　　3.1.1實驗步驟</b></p><p>　　（1）按照系統(tǒng)分析中得到的指令集，在DJ-CPT816實驗軟件中新建指令系統(tǒng)，保存為TH.mac文件，指令系統(tǒng)建立并保存后會生成TH.mi

28、c文件。</p><p>　?。?）在DJ-CPT816實驗軟件中新建名為TH.asm文件，輸入以下程序：</p><p><b>　　INPUT</b></p><p><b>　　CHS R0,A</b></p><p><b>　　INPUT</b></p>

29、<p><b>　　CHS R1,A</b></p><p><b>　　YU A,R0</b></p><p><b>　　CHS R2,A</b></p><p><b>　　CHS A,R0</b></p><p><b>　　

30、FEI A</b></p><p><b>　　CHS R3,A</b></p><p><b>　　CHS A,R1</b></p><p><b>　　FEI A</b></p><p><b>　　YU A,R3</b></p>

31、;<p><b>　　HUO A,R2</b></p><p><b>　　OUTPUT</b></p><p>　　（3）將程序保存為TH.asm文件，再匯編成機器碼，調試窗口會顯示出程序、機器碼、反匯編指令，如圖3所示。</p><p><b>　　圖3 調試窗口</b></p

32、><p><b>　　（4）實驗測試</b></p><p><b>　　第1組測試數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　第一次置K23—K16為10000001，即輸入的數(shù)據(jù)是81H，如圖4所示。</p><p>　　圖4 第一次置K23—K16為10000001</p><p>

33、;　　第二次置K23—K16為10000001，即輸入的數(shù)據(jù)是81H，如圖5所示。</p><p>　　圖5 第二次置K23—K16為10000001</p><p>　　輸出的結果是FF，如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 輸出結果FF</b></p><p><b>　　第2組測試數(shù)據(jù)：<

34、/b></p><p>　　第一次置K23—K16為10011001，即輸入的數(shù)據(jù)是99H，如圖7所示。</p><p>　　圖7 第一次置K23—K16為10011001</p><p>　　第二次置K23—K16為11010011，即輸入的數(shù)據(jù)是D3H，如圖8所示。</p><p>　　圖8 第二次置K23—K16為11010011

35、</p><p>　　輸出的結果是B5，如圖9所示。</p><p><b>　　圖9 輸出結果B5</b></p><p><b>　　3.1.2程序釋義</b></p><p>　　_FETCH_;程序開始執(zhí)行一條取指的微指令，讀入程序第一條指令</p><p>　　I

36、NPUT;將第一個數(shù)輸入A</p><p>　　CHS R0,A;將A中的內容傳送到R0中</p><p>　　INPUT;將第二個數(shù)輸入A</p><p>　　CHS R1,A;將A中的內容傳送到R1中</p><p>　　YU A,R0;將第一個數(shù)與第二個數(shù)做邏輯與運算并把結果保存到A中</p><p&g

37、t;　　CHS R2,A;將A中的內容傳送到R2中</p><p>　　CHS A,R0;將R0中的內容傳送到A中</p><p>　　FEI A;將A中的內容做邏輯非運算并把結果保存到A中</p><p>　　CHS R3,A;將A中的內容傳送到R3中保存</p><p>　　CHS A,R1;將R1中的內容傳送到A中</

38、p><p>　　FEI A;將A中的內容做邏輯非運算并把結果保存到A中</p><p>　　YU A,R3;將A中的內容和R3中的內容做邏輯與運算并把結果保存到A中</p><p>　　HUO A,R2;將A中的內容和R2中的內容做邏輯或運算并把結果保存到A中</p><p>　　OUTPUT;輸出結果</p><p

39、>　　3.2比較兩數(shù)大小的實現(xiàn)</p><p><b>　　3.2.1實驗步驟</b></p><p>　?。?）按照系統(tǒng)分析中得到的指令集，在DJ-CPT816實驗軟件中新建指令系統(tǒng)，保存為DX.mac文件，指令系統(tǒng)建立并保存后會生成DX.mic文件。</p><p>　?。?）在DJ-CPT816實驗軟件中新建名為DX.asm文件，輸

40、入以下程序：</p><p><b>　　INPUT</b></p><p><b>　　CHS R0,A</b></p><p><b>　　INPUT</b></p><p><b>　　JIAN A,R0</b></p><p&g

41、t;　　TZH_C LOOP2</p><p>　　TZH_Z LOOP1</p><p><b>　　CHS A,#1H</b></p><p><b>　　OUTPUT</b></p><p><b>　　TZH_N 12H</b></p><p>

42、<b>　　LOOP1:</b></p><p><b>　　OUTPUT</b></p><p><b>　　TZH_N 12H</b></p><p><b>　　LOOP2:</b></p><p>　　CHS A,#OFFH</p>

43、<p><b>　　OUTPUT</b></p><p>　?。?）將程序保存為DX.asm文件，再匯編成機器碼，調試窗口會顯示出程序、機器碼、反匯編指令，如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 調試窗口</b></p><p><b>　?。?）實驗測試</b></p&g

44、t;<p><b>　　第1組測試數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　第一次置K23—K16為00000001，即輸入的數(shù)據(jù)是01H，如圖11所示。</p><p>　　圖11 第一次置K23—K16為00000001</p><p>　　第二次置K23—K16為00000010，即輸入的數(shù)據(jù)是02H，如圖12所示。</p&

45、gt;<p>　　圖12 第二次置K23—K16為00000010</p><p>　　輸出的結果是01，如圖13所示。</p><p>　　圖13 輸出結果01</p><p><b>　　第2組測試數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　第一次置K23—K16為00000001，即輸入的數(shù)據(jù)是01H，如圖1

46、4所示。</p><p>　　圖14 第一次置K23—K16為00000001</p><p>　　第二次置K23—K16為00000001，即輸入的數(shù)據(jù)是01H，如圖15所示。</p><p>　　圖15 第二次置K23—K16為00000001</p><p>　　輸出的結果是00，如圖16所示。</p><p>

47、　　圖16 輸出結果00</p><p><b>　　第3組測試數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　第一次置K23—K16為00000010，即輸入的數(shù)據(jù)是02H，如圖17所示。</p><p>　　圖17 第一次置K23—K16為00000010</p><p>　　第二次置K23—K16為00000001，即輸入的數(shù)

48、據(jù)是01H，如圖18所示。</p><p>　　圖18 第二次置K23—K16為00000001</p><p>　　輸出的結果是FF，如圖19所示。</p><p>　　圖19 輸出結果FF</p><p><b>　　3.2.2程序釋義</b></p><p>　　_FETCH_;程序開

49、始執(zhí)行一條取指的微指令，讀入程序第一條指令</p><p>　　INPUT;將第一個數(shù)輸入A</p><p>　　CHS R0,A;將A中的內容傳送到R0中</p><p>　　INPUT;將第二個數(shù)輸入A</p><p>　　JIAN A,R0;將A-R0結果保存到A中</p><p>　

50、　TZH_C LOOP2;如果產生借位就跳轉到LOOP2</p><p>　　TZH_Z LOOP1;如果零標志為有效就跳轉到LOOP1</p><p>　　CHS A,#1H;如果上述條件都不滿足將1傳送到A中</p><p>　　OUTPUT ;輸出01</p><p>　　TZH_N 12H;程序結束&

51、lt;/p><p><b>　　LOOP1:</b></p><p>　　OUTPUT ;輸出00</p><p>　　TZH_N 12H;程序結束</p><p><b>　　LOOP2:</b></p><p>　　CHS A,#OFFH;

52、將FF輸入A</p><p>　　OUTPUT ;輸出FF</p><p><b>　　4總結</b></p><p><b>　　4.1設計體會</b></p><p>　　從準備、收集資料、開始設計系統(tǒng)，經(jīng)過了許多的問題和困難。在老師和同組同學的幫助和共同努力下，一一解決了在設計

53、過程遇到的各種問題。</p><p>　　計算機工作的原理是極其的復雜，把一條程序源碼進行編譯，生成機器碼，錄入CPU，然后將其分為若干條指令，再把這若干條指令分為若干條微指令，再把這若干條微程序，最后才通過取指、執(zhí)行，實現(xiàn)程序的功能。在設計中我們必須要把計算機工作的原理一一搞明白，才能設計出自己的一套微指令系統(tǒng)。</p><p>　　通過本次的課程設計，更深的確了解了計算機工作原理，也對

54、計算機組成原理這門課程的深入學習有了一個好的開始，更為以后學習類似課程奠定了很好的基礎。</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)改進</b></p><p>　　系統(tǒng)能夠實現(xiàn)基本的功能，還有很多可以改進的工作。比如，只能實現(xiàn)本次課程設計中的這一單一功能，不能實現(xiàn)其它的功能，功能太過單一不大眾化；一些指令的助記符不能一看就能明白是用來執(zhí)行什么功能，必須看注解才能明白，與

55、原系統(tǒng)相比不是很明確。在系統(tǒng)中還有許多我們現(xiàn)在還沒能發(fā)現(xiàn)的一些隱患，也是我們要進行改進的。這些問題我們會在今后的工作、學習中一一進行處理。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]李敬兆.8086/8088和基于ARM核匯編語言程序設計.合肥:中國科學技術大學出版社,2008</p><p>　　[2]蔣本珊.計