課程設計--計算機組成原理復雜模型機的組成與運行

1、<p><b>　　《計算機組成原理》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題目五:復雜模型機的組成與運行</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1[ 任務描述]2</p>&

2、lt;p>　　1.1 題目名稱2</p><p>　　1.2 要 求2</p><p>　　1.3 實驗目的2</p><p>　　2 [設計設備]2</p><p>　　3 [設計原理和方法]2</p><p>　　3.1 設計原理2</p><p>　　3.1.1數(shù)據(jù)

3、格式2</p><p>　　3.1.2指令設計2</p><p>　　3.1.3指令格式3</p><p>　　3.1.4指令系統(tǒng)4</p><p>　　3.2 設計依據(jù)5</p><p>　　3.2.1 詳細設計5</p><p>　　3.3.2實驗操作7</p>

4、<p>　　4 [代碼清單]8</p><p>　　4.1微程序流圖8</p><p>　　4.2 機器指令代碼9</p><p>　　4.3 微程序代碼10</p><p>　　5 [設計運行結果分析]12</p><p>　　5.1 實驗結果：12</p><p>　　

5、5.2 出錯情況：12</p><p>　　6 [設計小結]12</p><p><b>　　7[致謝]13</b></p><p>　　8[參考文獻]14</p><p>　　附錄一：數(shù)據(jù)通路框圖15</p><p>　　附錄二：復雜模型機實驗電路連線圖16</p>&

6、lt;p>　　題目五 復雜模型機的組成與程序運行</p><p><b>　　1[ 任務描述] </b></p><p>　　1.1 題目名稱：復雜模型機的組成與程序運行</p><p>　　1.2 要 求：基于TD-CMA 計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)，設計一個復雜計算機整機系統(tǒng)—模型機，分析其工作原理。根據(jù)模型機的數(shù)據(jù)通路以及微程

7、序控制器的工作原理，設計完成以下幾條機器指令和相應的微程序，輸入程序并運行。</p><p>　　IN R0，00H ；從端口00H讀入計數(shù)初值到R0</p><p>　　LDI R2，50H ；讀入數(shù)據(jù)始地址</p><p>　　LDI R1，00H ；累加和初值00H </p><p>　　ST

8、ART: LAD 10，00H，R3 ；從MEM 讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址，偏移量為00H </p><p>　　ADDR1，R3 ；累加求和</p><p>　　INC RI ；變址寄存加1，指向下一數(shù)據(jù)</p><p>　　LDI R3, 01H ；送立即數(shù)入R3</p>&

9、lt;p>　　SUB R0, R3 ；R0-R3 ->R0，與上一條指令一起實現(xiàn)DEC R0</p><p>　　BZC RESULT ；為0 則跳轉</p><p>　　JMP START ；跳轉至START</p><p>　　RESULT: OUT 40H，R1 ；和在OUT 單元顯示<

10、/p><p>　　HLT ；停機</p><p>　　50H、51H、52H、53H、54H單元內容分別為02H、03H、04H、05H、06H。</p><p>　　1.3 實驗目的：該實驗通過從端口00H讀入一個計數(shù)初值，以該計數(shù)初值為基準從MEM的50H單元開始的連續(xù)的計數(shù)初值個數(shù)的累加和，最后將求得的累加和從端口40H輸出顯示。</p>

11、<p><b>　　2 [設計設備]</b></p><p>　　實驗設備：西安唐都科教儀器公司生產(chǎn)的TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套，PC機一臺，數(shù)據(jù)連接導線若干，電源。</p><p>　　3 [設計原理和方法]</p><p>　　通過已經(jīng)學過的計算機組成原理知識，在TD-CMA實驗系統(tǒng)上設計一個復雜模型機。 </p>

12、<p><b>　　3.1 設計原理</b></p><p><b>　　3.1.1數(shù)據(jù)格式</b></p><p>　　模型機規(guī)定采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為８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： 0≤X≤28－1。</p><p><b>　　3.1.2指令設計<

13、;/b></p><p>　　該復雜模型機設計包含運算類指令、控制類指令、數(shù)據(jù)傳輸類指令三大類指令。</p><p>　　運算類指令僅用到了算術運算，算術運算設計有3 條運算類指令，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）。所有運算類指令都為單字節(jié)，尋址方式采用寄存器直接尋址。</p><p>　　控制轉移類指令有三

14、條HLT（停機）、JMP（無條件跳轉到指定的指令地址）、BZC（判斷寄存器內容是否為0，為0則跳轉到指定的指令地址），用以控制程序的分支和轉移，其中HLT為單字節(jié)指令，JMP 和BZC 為雙字節(jié)指令。</p><p>　　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、寄存器和存儲器之間的數(shù)據(jù)交換，均為雙字節(jié)指令。</p><p>&

15、lt;b>　　3.1.3指令格式</b></p><p>　　A、算術邏輯運算指令格式如下格式如下</p><p>　　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：</p><p>　　B、I/O指令格式（IN和OUT指令）如下</p><

16、;p>　　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 端口號占用一個字節(jié)。</p><p>　　C、訪問指令及控制轉移指令格式如下：</p><p>　　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)。</p><p>　　b、LAD、STA、JMP 和BZC 指令格式如下表所示

17、：</p><p>　　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。</p><p>　　表3.1.1 尋址模式說明表</p><p>　　D、停機指令格式如下</p><p><b>　　3.1.4指令系統(tǒng)</b></p><p>　　本模型機共有 11 條基本指令，

18、其中算術邏輯運算單元3條，分別為SUB、ADD、INC.控制轉移指令兩條，分別為JMP、BZC.輸入輸出指令兩條，分別為IN和OUT。尋址數(shù)據(jù)轉移指令兩條，分別為LDI、LAD。停機指令一條，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。詳細說明見表3.1.2。</p><p>　　表3.1.2 指令描述</p><p>　　表3.1.2 指令描述</p

19、><p><b>　　3.2 設計依據(jù)</b></p><p>　　該復雜模型機通過已經(jīng)學過的計算機組成原理知識，根據(jù)提供的實驗箱，設計出了相應的機器指令，根據(jù)機器指令，由各種譯碼電路分析各條機器指令所要完成的工作，翻譯分析得到相應的多條微程序指令，由微程序控制硬件及軟件完成相應的操作。其中由P(1)、P(2)、p（3）測試得到相應的微程序入口，由微指令的低六位得到微指令

20、的后繼地址，一直到執(zhí)行完所有的機器指令完成相應的工作，到停機指令為止。</p><p>　　3.2.1 詳細設計</p><p>　　由于復雜模型機實驗的指令較多，尋址方式也較復雜，僅采用一種測試是不能夠滿足要求的，因此參照實驗手冊上的指令譯碼電路設計了電路圖，如圖2二所示：</p><p>　　圖二 指令譯碼原理圖</p><p>　　該復

21、雜模型機實驗涉及到四個通用寄存器R0、R1、R2、R3，對寄存器的選擇通過對指令低四位進行測試，判斷得到相應的寄存器號。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）中實現(xiàn)。譯碼</p><p><b>　　電路如圖三所示。</b></p><p>　　圖三 寄存器譯碼原理圖</p

22、><p><b>　　B 微指令格式</b></p><p>　　根據(jù)機器指令系統(tǒng)要求，設計確定微地址。</p><p>　　微指令格式如下所示：</p><p><b>　　C 二進制代碼表</b></p><p>　　參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表（表

23、3.1.3），并將二進制代碼表轉換為聯(lián)機操作時的十六進制格式文件。</p><p>　　表3.1.3 二進制代碼表</p><p><b>　　3.3.2實驗操作</b></p><p>　　A 復雜模型機系統(tǒng)實驗連線圖（見附錄一）</p><p>　　該實驗圖是復雜模型機在根據(jù)設計的指令系統(tǒng)設計出來的（此處借鑒了實驗指

24、導書的復雜模型機的實驗連線圖）。</p><p><b>　　B 實驗步驟</b></p><p>　　在該復雜模型機實驗中，我采用的是聯(lián)機寫入和校驗的方式。</p><p>　　1>根據(jù)實驗連線圖（見附錄二）正確連接電路。</p><p><b>　　2>聯(lián)機寫入和校驗</b><

25、/p><p>　　聯(lián)機軟件提供了微程序和機器程序下載功能，以代替手動讀寫微程序和機器程序，但是微程序和機器程序得以指定的格式寫入到以TXT 為后綴的文件中，本次實驗程序見代碼清單，程序中分號‘；’為注釋符，分號后面的內容在下載時將被忽略掉。在軟件界面上可以通過單步、單拍、運行、結束等按鈕執(zhí)行程序。記錄運行結果。</p><p><b>　　4 [代碼清單]</b><

26、/p><p><b>　　4.1微程序流圖</b></p><p><b>　　圖1 微程序流圖</b></p><p>　　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)流的起點和和終點。其中起點可能是PC程序計數(shù)器、AR地址寄存器、主存MEM、通用寄存器R0、R1、R2、R3、IN

27、端口等。終點可能是AR、MEM、OUT端口、暫存器A、B等。</p><p>　　4.2 機器指令代碼</p><p>　　; //***** Start Of Main Memory Data *****//</p><p>　　;//**其中地址和機器指令均為十六進制**//</p><p>　　;//地址 機器指令 助記符

28、 功能描述說明</p><p>　　$P 00 20 ; IN R0,00H 從IN單元讀入計數(shù)初值</p><p><b>　　$P 01 00 </b></p><p>　　$P 02 62 ; LDI R2,50H 立即數(shù)50H送R1</p&

29、gt;<p><b>　　$P 03 50</b></p><p>　　$P 04 61 ; LDI R1,00H 裝入和初值00H</p><p>　　$P 05 00 </p><p>　　$P 06 CB ;START: LAD 10,00H,R3 從MEM讀入數(shù)據(jù)送R3，變址尋址

30、，偏移量為00H </p><p>　　$P 07 00 </p><p>　　$P 08 0D ; ADD R1,R3 累加求和</p><p>　　$P 09 72 ; INC RI 變址寄存加1，指向下一數(shù)據(jù) </p><p>　　$P 0A 63 ;

31、 LDI R3,01H 送立即數(shù)01H入R3</p><p>　　$P 0B 01 </p><p>　　$P 0C 8C ; SUB R0,R3 <=====> DEC R0，R0-R3->R0</p><p>　　$P 0D F0 ; BZC RESULT 為

32、0跳轉到RESULT處。</p><p>　　$P 0E 11 ;</p><p>　　$P 0F E0 ; JMP START 無條件跳轉到START處。</p><p><b>　　$P 10 06</b></p><p>　　$P 11 34 ;RESULT:OU

33、T 40H,R1 從端口40將所求得的累加和輸出顯示</p><p><b>　　$P 12 40</b></p><p>　　$P 13 50 ; HLT 停機</p><p>　　$P 50 02 ; 數(shù)據(jù)</p><p><b>　　$P 5

34、1 03</b></p><p><b>　　$P 52 04</b></p><p><b>　　$P 53 05</b></p><p><b>　　$P 54 06</b></p><p><b>　　$P 55 07</b></p

35、><p>　　; //***** End Of Main Memory Data *****//</p><p><b>　　4.3 微程序代碼</b></p><p>　　; //** Start Of MicroController Data **//</p><p>　　;//**其中地址和微指令均為十六進制**//&

36、lt;/p><p>　　;//地址 微指令 操作***********//</p><p>　　$M 00 000001 ; NOP</p><p>　　$M 01 006D43 ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1></p&

37、gt;<p>　　$M 04 002405 ; RS->B</p><p>　　$M 05 04B201 ; A加B->RD</p><p>　　$M 06 002407 ; RS->B</p><p>　　$M 07 013201 ; A與B->RD</p><p>　　$M 0

38、8 106009 ; MEM->AR</p><p>　　$M 09 183001 ; IO->RD</p><p>　　$M 0A 106010 ; MEM->AR</p><p>　　$M 0B 000001 ; NOP</p><p>　　$M 0C 103001 ; MEM->RD

39、</p><p>　　$M 0D 200601 ; RD->MEM</p><p>　　$M 0E 005341 ; A->PC</p><p>　　$M 0F 0000CB ; NOP, P<3></p><p>　　$M 10 280401 ; RS->IO</p>&l

40、t;p>　　$M 11 103001 ; MEM->RD</p><p>　　$M 12 06B201 ; A加1->RD</p><p>　　$M 13 002414 ; RS->B</p><p>　　$M 14 05B201 ; A減B->RD</p><p>　　$M 15 002

41、416 ; RS->B</p><p>　　$M 16 01B201 ; A或B->RD</p><p>　　$M 17 002418 ; RS->B</p><p>　　$M 18 02B201 ; A右環(huán)移->RD</p><p>　　$M 1B 005341 ; A->PC&l

42、t;/p><p>　　$M 1C 10101D ; MEM->A</p><p>　　$M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2></p><p>　　$M 1E 10601F ; MEM->AR</p><p>　　$M 1F 101020 ; MEM->A</p&g

43、t;<p>　　$M 20 10608C ; MEM->AR, P<2></p><p>　　$M 28 101029 ; MEM->A</p><p>　　$M 29 00282A ; RI->B</p><p>　　$M 2A 04E22B ; A加B->AR</p><

44、;p>　　$M 2B 04928C ; A加B->A, P<2></p><p>　　$M 2C 10102D ; MEM->A</p><p>　　$M 2D 002C2E ; PC->B</p><p>　　$M 2E 04E22F ; A加B->AR</p><p>　　

45、$M 2F 04928C ; A加B->A, P<2></p><p>　　$M 30 001604 ; RD->A</p><p>　　$M 31 001606 ; RD->A</p><p>　　$M 32 006D48 ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 3

46、3 006D4A ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 34 003401 ; RS->RD</p><p>　　$M 35 000035 ; NOP</p><p>　　$M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 37 001612 ;

47、RD->A</p><p>　　$M 38 001613 ; RD->A</p><p>　　$M 39 001615 ; RD->A</p><p>　　$M 3A 001617 ; RD->A</p><p>　　$M 3B 000001 ; NOP</p><p>

48、　　$M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1</p><p>　　$M 3F 006D6C ; PC->AR, PC加1</p><p

49、>　　; //** End Of MicroController Data **//</p><p>　　5 [設計運行結果分析]</p><p><b>　　5.1 實驗結果：</b></p><p>　　實驗結果分析：本實驗通過復雜模型機實現(xiàn)了從內存50H單元開始的幾個數(shù)據(jù)的累加求和。</p><p>　　從I

50、N單元的OOH端口輸入數(shù)4，實現(xiàn)了從50H單元開始的2、3、4、5的求和，求得的累加和的結果在OUT單元的40H端口輸出，輸出結果為“0EH”.結果與用筆在所編程序上得結果相符。該結果驗證了程序的正確性。</p><p><b>　　5.2 出錯情況：</b></p><p><b>　　出錯原因：</b></p><p>

51、;<b>　　解決方法：</b></p><p>　　對所設計題目的運行結果給出盡可能全面的分析，包括出錯情況和出錯原因分析</p><p><b>　　6 [設計小結] </b></p><p>　　通過課程設計，加深了我對計算機整機的綜合理解，掌握微程序控制器的組成原理以及微程序的編制、調試技術及模型機設計的基本方法，

52、強化設計能力和實驗動手能力。</p><p>　　計算機組成原理是計算機科學與技術專業(yè)一門非常重要的課程，在計算機專業(yè)的學習中起著相當重要的作用，是掌握計算機硬件知識和計算機內部處理過程的理論基礎，因此，本次課程設計是對計算機組成原理所學理論知識的一次大檢閱，是集知識的綜合應用和動手能力于一體的一次大型的演練。</p><p>　　通過本次課程設計，我對計算機的基本組成、工作原理，以及他們

53、之間的通信方式 ，微程序控制器的設計、微指令和微程序的編制、調試以及執(zhí)行等過程在理論的基礎上面有了更加深刻的理解，并加深了對理論課程的理解。</p><p>　　在實踐過程中，老師的指導，與其他同學相互協(xié)作、相互交流，加強了我們之間的團隊精神，并從以下幾方面得到較深體會：</p><p>　　1、加深了對實驗原理的認識</p><p>　　本實驗主要運用的原理是微程

54、序控制的控制器工作原理。計算機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)行相應的微程序來完成的。實驗中將所要求的所有指令變成對應的微程序，寫入控制存儲器中，以后在執(zhí)行用戶程序的過程中，每次都先從內存儲器中取出一條機器指令，其解釋執(zhí)行過程都是從控制存儲器中讀出相應的微程序，執(zhí)行每條微指令的過程。</p><p>　　2、熟悉了微程序流程圖的畫法和微指令的設計方法</p><p

55、>　　畫微程序流程圖，要先確立每條機器指令所需要的微周期數(shù)，此時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；當一微指令使用T4節(jié)拍時，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。</p><p>　　3、對理論在實踐中的應用有深刻的理解 </p><p>　　這次課程設計提供了理論用于實踐的機會，使我們真正弄懂了微指令的編寫過程。

56、指令的構成是設計過程中的一個難點，我們一定要真正地弄懂它，進而弄清楚指令的功能，理解整個設計的目的。</p><p>　　4、激發(fā)了學習的積極性</p><p>　　此次課程設計的過程中，弄清了以前在上理論課時的疑難問題，因此信心有了很大的增強，對計算機組成原理這門課程的興趣也不斷提高，在一定程度上增強了學習的積極性。</p><p>　　5、培養(yǎng)了我在做事方面的耐

57、心及細心程度</p><p>　　由于這次設計的線路復雜度高，連接線路是一種細活，稍微不小心把一條線路搞錯就全錯了，經(jīng)過對實驗箱的具體認識，重復了5遍才把實驗電路連接正確，真的感覺細心和耐心在做實驗中的重要性。在以后的學習、工作中，我們都要耐心、仔細，不能忽視任何一個細小的問題，只有這樣，我們才以最高的效率完成任務。想要成功，必須使自己有一顆不斷地挑戰(zhàn)困難，戰(zhàn)勝困難的心。</p><p>

58、　　6、 增強了團隊合作精神</p><p>　　在實驗過程中，遇到了一些自己不會的知識點，通過老師講解、同學之間的相互討論及同組人的商量，這些問題都得到了解決。這體現(xiàn)了團隊的力量的強大。在今后的生活、學習中，這種精神將會在更多地方用到。</p><p><b>　　7[致謝]</b></p><p>　　在實驗過程中，xx老師耐心地給我們講解

59、了該實驗的過程，在實驗過程中遇到的各種問題老師都耐心地講解，使我更進一步了解了復雜模型機的工作流程，特別是老師在p<1>、p<2>、P<3>測試及一些譯碼電路的分析上的講解，使我拓寬了知識面。在此，向侯老師的幫助和、知識的更深層次的講解及耐心的指導表示我最真誠的感謝?。?！</p><p><b>　　8[參考文獻]</b></p><p

60、>　　[1] 計算機組成原理與與匯編語言程序設計（第二版） 徐潔 俸遠禎主編 電子工業(yè)出版社，2007年8月</p><p>　　[2] 計算機組成原理與系統(tǒng)結構實驗教程 西安唐都科教儀器開發(fā)有限責任公司編著并出版，2007年10月</p><p>　　[3] 計算機組成原理 白中英主編 科學出版社出版 2008年1月</p><p>　　附錄一：數(shù)據(jù)通