計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)--具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)

1、<p>　　************ 學(xué) 院</p><p>　　計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題目：具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　姓名：****</b></p><p&

2、gt;　　學(xué)號(hào)：200********1</p><p><b>　　系別：計(jì)算機(jī)學(xué)院</b></p><p>　　專業(yè)班級(jí)：************班</p><p>　　同組同學(xué)：*****</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：****</b></p><p>　　起止

3、時(shí)間：2011.9.05—2011.9.09</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)要求及目的</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是將我們所學(xué)的課程的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。本課程設(shè)計(jì)我們所選的題目是具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)，我們要設(shè)計(jì)出具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的機(jī)器指令，再寫出指令對(duì)應(yīng)的

4、微程序，然后按照復(fù)雜模型機(jī)的電路圖在實(shí)驗(yàn)箱上接線，然后與電腦聯(lián)機(jī)執(zhí)行，并觀察執(zhí)行過(guò)程和輸出結(jié)果。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　?。?）復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)組成原理課程中的知識(shí)和提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，從而建立清晰完整的整機(jī)概念。</p><p>　?。?）掌握各個(gè)單元模塊的工作

5、的原理,進(jìn)一步將其組成完整的系統(tǒng),構(gòu)造一臺(tái)基本的復(fù)雜模型機(jī)。</p><p>　?。?）學(xué)會(huì)規(guī)劃讀/寫內(nèi)存、寄存器、 數(shù)值計(jì)算等功能,并且編寫相應(yīng)的機(jī)器指令和微程序,在具體上機(jī)的過(guò)程中,觀察設(shè)計(jì)出的模型機(jī)的執(zhí)行情況，根據(jù)輸出的結(jié)果做出分析，從而更好的掌握計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)。</p><p>　　二、機(jī)器指令的設(shè)計(jì)和微程序設(shè)計(jì)原理</p><p>　　計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路

6、的控制將由微程序控制器來(lái)完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來(lái)完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)于一組微程序。</p><p><b>　　1、數(shù)據(jù)格式 </b></p><p>　　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8位，其格式如下：</p><p>　　其中第 7 位為符號(hào)位，數(shù)值表示范圍

7、是：。</p><p><b>　　2、指令格式 </b></p><p>　　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(wèn)及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。</p><p>　?。?）算術(shù)邏輯指令 </p><p>　　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，其格式如下：</

8、p><p>　　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：</p><p>　　9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見(jiàn)表 7.2-1。</p><p>　　(2) 訪問(wèn)指令及轉(zhuǎn)移指令 </p><p>　　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(wú)條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)

9、果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令（BZC），指令格式為：</p><p>　　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 為尋址模式，其定義如下：</p><p>　　本模型機(jī)規(guī)定變址寄存器 RI 指定為寄存器 R2。</p><p>　?。?）I/O 指令 </p><p>　　輸

10、入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令，其格式如下：</p><p>　　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。 </p><p><b>　?。?）停機(jī)指令 </b></p><p><b>　　指令指令

11、格式如下：</b></p><p>　　HALT 指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。</p><p><b>　　3、指令系統(tǒng) </b></p><p>　　本模型機(jī)共有 16 條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令7條，訪問(wèn)內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其它指令 1 條。表 7.2-1 列出了各條指令的格式、匯編符號(hào)、指令功能。<

12、;/p><p><b>　　4、總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖如圖 7.2-1。根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)微程序流程圖及確定微地址，如圖 7.2-2。</p><p>　　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，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(jiàn)表 7.2-

13、2。</p><p>　　5.74LS181芯片的功能表</p><p><b>　　6.微程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如下是機(jī)器指令格式說(shuō)明和微指令格式說(shuō)明</p><p><b>　　三.總體設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1.機(jī)器指令的設(shè)計(jì)

14、</b></p><p>　?。?）機(jī)器指令的助記符為：</p><p>　　START: IN 01，R0 （R0）=15H</p><p><b>　　MOV R0，R1</b></p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　

15、AND R0，R1 </p><p><b>　　RLC R1，R2</b></p><p><b>　　OUT 10，R2</b></p><p>　　JMP 00，START</p><p><b>　　HALT</b></p><p>　?。?）將

16、助記符轉(zhuǎn)換為指令</p><p>　　I. IN 01，R0對(duì)應(yīng)的指令格式為0100 0100即16進(jìn)制的44</p><p>　　II. MOV R0，R1對(duì)應(yīng)的指令格式為1000 0001即16進(jìn)制的81</p><p>　　III. INC R1對(duì)應(yīng)的指令格式為1011 0101即16進(jìn)制的B5</p><p>　　IV. AND R0

17、，R1對(duì)應(yīng)的指令格式為1100 0001即16進(jìn)制的C1</p><p>　　V. RLC R1，R2對(duì)應(yīng)的指令格式為1111 0110即16進(jìn)制的F6</p><p>　　VI. OUT 10，R2對(duì)應(yīng)的指令格式為0101 1010即16進(jìn)制的5A</p><p>　　VII. JMP 00，START對(duì)應(yīng)的指令格式為0000 1000 0000 0000&l

18、t;/p><p>　　即16進(jìn)制的08和00</p><p>　　VIII. HALT對(duì)應(yīng)的指令格式為0110 0000即16進(jìn)制的60</p><p>　?。?）.根據(jù)機(jī)器指令的格式可以編成的機(jī)器指令為：</p><p><b>　　$P0044</b></p><p><b>　　$P0

19、181</b></p><p><b>　　$P02B5</b></p><p><b>　　$P03C1</b></p><p><b>　　$P04F6</b></p><p><b>　　$P055A</b></p><

20、;p><b>　　$P0608</b></p><p><b>　　$P0700</b></p><p><b>　　$P0860</b></p><p><b>　　2.微程序流程圖</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)器指令可以畫出微程序流程圖如下

21、（其中的地址為16進(jìn)制）：</p><p><b>　　3.微代碼的設(shè)計(jì)</b></p><p>　?。?） 微代碼設(shè)計(jì)原理</p><p>　　按照課程設(shè)計(jì)中微指令格式，參照微程序流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進(jìn)制代碼表，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(jiàn)表 7.2-2。</p><p>　　其

22、中uA0-uA5為6位的后續(xù)微地址，即下地址字段，A、B、C為三個(gè)譯碼字段，分別由三-八譯碼器譯碼出多位。C字段中的P1——P4是四個(gè)測(cè)試字位，其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的為地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。</p><p>　　在上述各測(cè)試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、RD-B、RI-B分別為

23、源寄存器選通信號(hào)，目的寄存器選通信號(hào)及變址寄存器選通信號(hào)，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行三個(gè)工作寄存器R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是某芯片的控制信號(hào)，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來(lái)進(jìn)行相應(yīng)芯片的選擇譯碼。</p><p>　?。?）二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換</p><p>　　根據(jù)微程序流程圖、微地址和程序執(zhí)行時(shí)的控制信號(hào)可編成以下二進(jìn)制代碼：</p><

24、p><b>　　二進(jìn)制代碼表</b></p><p><b>　　(3)微程序</b></p><p>　　根據(jù)微指令格式及二進(jìn)制代碼表，將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制可得下面微程序：</p><p>　　$M00018108</p><p>　　$M0101ED82</p>&l

25、t;p>　　$M0200C050</p><p>　　$M0300A004</p><p>　　$M0400E0A0</p><p>　　$M1001ED83</p><p>　　$M14001001</p><p>　　$M15030401</p><p>　　$M18019201<

26、;/p><p>　　$M1B01A232</p><p>　　$M1C01A233</p><p>　　$M1F318239</p><p>　　$M20009001</p><p>　　$M2205DB81</p><p>　　$M32019A01</p><p>　　$M

27、3301B435</p><p>　　$M35B99A01</p><p>　　$M3919883A</p><p>　　$M3A019801</p><p><b>　　4.接線并調(diào)試</b></p><p>　　(1)根據(jù)下面實(shí)驗(yàn)線路圖在實(shí)驗(yàn)箱上接線</p><p>&

28、lt;b>　　(2)調(diào)試</b></p><p><b>　　調(diào)試步驟：</b></p><p>　　①寫入微程序，與PC聯(lián)機(jī)，將實(shí)驗(yàn)微程序裝入實(shí)驗(yàn)裝置中。</p><p>　?、趯懗绦?，聯(lián)機(jī)讀/寫程序。</p><p>　　選擇聯(lián)機(jī)軟件的【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】?【裝載】功能菜單將該實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的文件*.txt載入實(shí)驗(yàn)系

29、統(tǒng)即可。</p><p>　?、圻\(yùn)行程序，使用聯(lián)機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令后，選擇【運(yùn)行】【通路圖】【復(fù)雜模型機(jī)】功能菜單打開相應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。</p><p><b>　　四．執(zhí)行過(guò)程</b></p><p>　　1.指令

30、執(zhí)行過(guò)程的記錄</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)設(shè)置輸入值為15H</p><p>　?。?）第一條機(jī)器指令是$P0044，一共有3拍：</p><p>　　①PC->AR ，PC+1第一拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、贏RM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令

31、寄存器IR里面。</p><p>　?、跾W->BUS，BUS->R0第三拍是把輸入的數(shù)放到寄存器R0里面，此時(shí)</p><p><b>　?。≧0）=15H。</b></p><p>　?。?）第二條機(jī)器指令是$P0181，一共有3拍：</p><p>　?、貾C->AR ，PC+1第一拍是將PC中的

32、地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、贏RM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　?、跼0->R1 第三拍是把寄存器R0里面的數(shù)傳送到寄存器R1里面，此時(shí)</p><p><b>　?。≧1）=15H。</b></p><p&g

33、t;　?。?）第三條機(jī)器指令是$P02B5，一共有4拍：</p><p>　?、貾C->AR ，PC+1第一拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　　②ARM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　?、跼1->BUS，BUS->DR1 第三拍是把寄存器

34、R1里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器DR1里面，此時(shí)（DR1）=15H。</p><p>　?、蹹R1+1->BUS，BUS->RD 第四拍是把數(shù)據(jù)寄存器DR1送到運(yùn)算器ALU當(dāng)中，執(zhí)行自加1操作之后，把所得數(shù)據(jù)送到寄存器R1里面，此時(shí)（R1）=16H。</p><p>　?。?）第四條機(jī)器指令是$P03C1，一共有5拍：</p><p>　?、貾C->A

35、R ，PC+1第一拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、贏RM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　　③RS->BUS，BUS->DR1 第三拍是把寄存器R0里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器DR1里面，此時(shí)（DR1）=15H。</p><p>　?、躌D-&

36、gt;BUS，BUS->DR2 第四拍是把寄存器R1里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器DR2里面，此時(shí)（DR1）=16H。</p><p>　　⑤DR1?DR2->BUS，BUS->RD 第五拍是把數(shù)據(jù)寄存器DR1、DR2里面的數(shù)據(jù)傳送到ALU當(dāng)中，進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算之后，把所得數(shù)據(jù)送到寄存器R1里面，此時(shí)（R1）=14H。</p><p>　?。?）第五條機(jī)器指令是$P04F6，

37、一共有5拍：</p><p>　?、貾C->AR ，PC+1第一拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　　②ARM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　?、跼1->299 第三拍是把寄存器R1里面的數(shù)傳送到299移位寄存器當(dāng)中，也就是 14H。</p

38、><p>　　④帶進(jìn)位循環(huán)左移 第四拍是將數(shù)14H進(jìn)行帶進(jìn)位左循環(huán)移動(dòng)一位，所得數(shù)為28H。</p><p>　?、?99->R0 第五拍是將移位寄存器里的數(shù)28H傳送到寄存器R2當(dāng)中，此時(shí)（R2）=28H。</p><p>　?。?）第六條機(jī)器指令為$P055A，一共有3拍：</p><p>　　①PC->AR ，PC+1第一拍是將

39、PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、贏RM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　　③R2->LED 第三拍是把寄存器R2里面的數(shù)輸出，此時(shí)數(shù)碼顯示管顯示28。</p><p>　?。?）第七、八條機(jī)器指令是$P0608、$P0700，一共有6拍：</p&

40、gt;<p>　　①PC->AR ，PC+1第一拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、贏RM->BUS，BUS->IR第二拍是把RAM里面的內(nèi)容放到指令寄存器IR里面。</p><p>　?、跴C->AR ，PC+1第三拍是將PC中的地址放到AR中，PC指向下一條指令。</p><p>　?、?/p>

41、RAM->BUS，BUS->DR1 第四拍是把RAM里面的內(nèi)容放到數(shù)據(jù)寄存器DR1里面。</p><p>　　⑤RAM->BUS，BUS->AR 第五拍是把RAM里面的內(nèi)容放到地址寄存器AR里面，之后進(jìn)行P(2)測(cè)試，進(jìn)入JMP。</p><p>　　⑥D(zhuǎn)R1->BUS，BUS->PC 第六拍是把數(shù)據(jù)寄存器DR1里的內(nèi)容送回程序計(jì)數(shù)器PC當(dāng)中，之后跳轉(zhuǎn)到

42、第一條機(jī)器指令重復(fù)執(zhí)行。</p><p>　　2.指令執(zhí)行過(guò)程的部分截圖</p><p><b>　　五．課程設(shè)計(jì)結(jié)論</b></p><p>　　在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們遇到了許多的難題。一開始寫指令和程序的時(shí)候，因?yàn)椴欢美锩婺切┬盘?hào)的意思，所以無(wú)從下手，后來(lái)查閱了一些資料和問(wèn)了一些人之后終于知道了那些信號(hào)的意思和如何寫出機(jī)器指令和微程序

43、。寫出來(lái)微程序后，就進(jìn)行接線，一開始接好線后，在聯(lián)機(jī)測(cè)試過(guò)程中通過(guò)了，那時(shí)感覺(jué)很開心，因?yàn)楹苌倏梢砸淮谓泳€就通過(guò)的，但是后來(lái)運(yùn)行了幾次之后，實(shí)驗(yàn)箱的接線又出現(xiàn)問(wèn)題了，檢測(cè)了好久找不出原因，只能重新接線，這次接好線后連測(cè)試都不通過(guò)，雖然按著實(shí)驗(yàn)箱上顯示的那幾條線路去檢查，但是還是找不出原因，只能再重新接線，最后接線終于通過(guò)了測(cè)試。</p><p>　　然后就開始聯(lián)機(jī)寫入程序，加載后運(yùn)行，但是出來(lái)的結(jié)果卻總是不對(duì)，根

44、據(jù)我們輸入的數(shù)15H，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)行之后出來(lái)的結(jié)果應(yīng)該是28H的，但是每次運(yùn)行過(guò)后出來(lái)的程序卻都是29H。后來(lái)經(jīng)過(guò)多次的觀察，發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行指令的過(guò)程中，執(zhí)行到R0和R1進(jìn)行邏輯與時(shí)就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位，這個(gè)進(jìn)位導(dǎo)致了后面的帶進(jìn)位循環(huán)左移時(shí)多加了一位，所以出來(lái)的結(jié)果就總是多了1。后來(lái)在查詢了書中的程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)改動(dòng)了地址為35的微程序時(shí)可以得到結(jié)果為28H，但是與指導(dǎo)老師討論過(guò)后得知不能改動(dòng)35的指令，雖然現(xiàn)在還沒(méi)有找到為何會(huì)進(jìn)位的原因，但是通過(guò)對(duì)

45、這次結(jié)果的討論，讓我學(xué)到了很多的東西，也許你的課本理論知識(shí)學(xué)得再好，但是沒(méi)有通過(guò)實(shí)踐的理論知識(shí)永遠(yuǎn)都只是紙上談兵，只有將你所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，才能改好的理解所學(xué)的知識(shí)。</p><p><b>　　六．心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何更好的與他人進(jìn)行合作，與他人進(jìn)行交流。我們組的課程設(shè)計(jì)是由我們組共同完成的，從一開始的寫程序到