湖南工程学院复杂模型计算机的设计分析.pdf

课 程 设 计 报 告 课程名称计算机组成原理 课题名称复杂模型计算机的设计 专业计算机科学与技术 班级 学号 姓名 指导教师唐北平、陈华光、陈多、 年月日 2 湖南工程学院 课 程 设 计 任 务 书 课程名称 计算机组成原理 课题复杂模型计算机的设计 专业班级 学生姓名 学号 指导老师唐北平、陈华光、陈多 审批陈华光 任务书下达日期 任 务 完 成 日 期 3 一 、 设 计 内 容 与 设 计 要 求 1设计内容 模型机是由五个部分组成的计算机，通过它可以理解计算机整机的结构及功 能，理解CPU、存储器、中断控制器、总线的结构及实现逻辑和各部件之间的 接口关系。本次课程设计的主要内容是利用西安唐都公司的TDN-CM+ 的内部 可编程资源， 设计一个模型计算机。 本课程设计的主要目的是通过部件级的模型 机的设计和调试， 使学生理解计算机由5 部分组成， 掌握计算机的工作过程， 从 “指令微指令微操作” 概念的理解， 从而清晰地建立计算机的整机概念，并 培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。 2设计要求： (1) 借助于 TDN-CM+ 的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命 令寄存器，地址转移逻辑， 微地址寄存器， 控制时序信号单元， 寄存器组，总线， 输入 输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算 机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语言完成设计并调试成功。 (2) 复杂模型机的设计要求(参考 P107-115) 模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O 指令、访问 及转移指令和停机指令。 设计 9 条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址。 设计 2 条访内指令，即存数（ STA） 、取数（ LDA ） ，2 条转移指令，即无条 件转移（ JMP） 、结果为零或有进位转移指令（BZC） 。 设计 2 条 I/O 指令，输入（ IN）和输出（ OUT）指令采用单字节指令。 设计停机指令 1 条用单字节表示。 (3) 调试的程序 第一组 地址（H）内容（ H） 助记符说明 $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 F5 RLC R1 R1 R1 右移一位 $P05 0C BZC 00 00 00-PC 4 $P06 00 第二组 地址（H）内容（ H） 助记符说明 $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 00 第三组 地址（H）内容（ H） 助记符说明 $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 在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并 进行适当的分析。 要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说 明组成该机器指令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成 )。要求修改 一条微指令。 (4)按本任务书的要求，编写课程设计报告（Word 文档格式）。并用A4 的复印纸打印并装订。 (5)在规定的时间内， 请各班学习委员收齐课程设计报告在星期五交陈华光老 5 师。 3分组及安排 分 5 组，学号除以 5 取余数，余数为0 的同学做复杂模型机1、余数为 1 的 同学做复杂模型机2，余数为 2 的同学做复杂模型机3，余数为 3 的同学做基于 RISC 的模型机，余数为 4 的做流水线模型机， 每个组必须独立完成指定的题目， 每个同学按要求独立完成课程设计报告。 4成绩评定 程序设计方案是否合理；程序设计是否正确；调试结果；设计说明书的质量 高低；答辩时回答问题情况；课程设计周表现情况；总评成绩记入“课程设计成 绩评分表”。 6 二、进 度 安 排 第 2 周，具体安排如下： 星期时间班级内容地点 第 2 周 星期一8:3011:30 布置任务， 任务 安排 星期二8:3011:30 接线 星期二14:3017:30 接线 星期三8:3011:30 编程 星期三14:3017:30 调试 星期四14:3017:30 系统调试实现 星期五8:3011:30 测试程序， 写报 告 7 目录 一、课题的主要功能. 8 二、总体设计方案. 9 三、数据格式和寻址方式的设计 11 四、指令和和微程序的设计 14 五、线路连接图 15 六、微程序流程及说明 16 （1）微程序截图流程 16 （2）修改后的机器指令. 18 七、课程设计的收获及体会 22 八、参考资料 23 九、评分表 24 8 一、课题的主要功能 本课题设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计 算机由 5 部分组成，掌握计算机的工作过程，从“指令微指令微操作”概念 的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的 能力，同时增强学生的动手能力。 此次课题的目的是完整设计一台模型计算机，进一步建立整机的概念。借助 于 TDN-CM+ 的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器、 地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入、输 出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的 设计，指令系统的设计， 并用汇编语言完成设计并调试成功因此我们先通过一个 复杂模型机的设计实验来进行实际的计算机设计和实现，然后安排了用CPLD 来实现一个 CPU 中的大部分功能的设计实验， 接着讨论了输入输出系统的概念、 分类、接口、寻址、基本控制方式等，根据后续微地址的形成方法，确定每条微 程序地址及分支转移地址。 根据微指令格式， 将微程序流程中的所有微指令代码 化，转化成相应的二进制代码， 写入到控制存储器中的相应单元中。 在总调试前， 先按功能模块进行组装和分调， 因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机 的运行正确。 9 二、总体设计方案 (1) 复杂模型机的逻辑框图 以控制器为中心，首控制器从指令寄存器取得指令，编译指令，再输出 微控制信号，控制 ALU 的运算，PC 加一，并且从 RAM 中取出数据运算，运算后再把 结果通过数据总线存到 RAM ，在指令寄存器读去下一条指令，依次循环。 图1复杂模型计算机逻辑框图 10 2、用框图语言表示模型机的指令执行流程 图2 模型计算机逻辑框图 11 三、数据格式和寻址方式的设计 1、数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为位，其格式如下： 符号尾数 其中第 7 位为符号位，相对于十进制数值表示范围是：2 7X 2 71。 2、模型机的寻址方式、 操作数的寻址就是寻找形成操作数在主存中的地址的方法。 设指令格式如下： 形式地址（ D）：指令地址字段中给出的地址。 有效地址（ EA ）：形式地址经过一定计算而得到的操作数的实际地址。 常用寻址方式如下： (1) 隐含寻址：指令中不指出操作数的地址，而是隐含在累加器或堆栈等， 由它们给出操作数。 (2) 立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。 即数据 data = D 。 (3) 直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出，即操作数的有效地址为 EA = D 。 (4) 间接寻址：指令的形成地址 D 在主存相应单元中的内容是操作数的地 址，即操作数的有效地址为 EA =（D ）。 (5) 寄存器寻址：指令中给出的是寄存器号 R，操作数就是寄存器中的内容， 即 data= （R）。 (6) 寄存器间接寻址：指令中给出的是寄存器号 R，而操作数的地址就是寄 存器中的内容， 即 EA =（R）。 (7) 相对寻址：操作数地址为程序计数器 PC 中的内容与指令中给出的地址 偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以补码形式给出，可正可负。 即 EA=（PC ）+D。 (8) 基址寻址：操作数地址为基址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移 量 D 之和，即 EA=（R ）基址+D (9) 变址寻址：操作数地址为变址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移 量 D 之和， 3、 指令格式 (p107-115) 由于本模型机机器字长只有8 位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指 令。根据要求 , 设计该模型机能执行的不同指令，例指令格式及功能如下： 操作码（ OP）寻址特征形式地址 12 (1) 算术逻辑运算指令 9 条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表7.2-1。 算术逻辑运算指令用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址， 其格式如 下： 13 OP-CODE rs rd 其中， OP-CODE 为操作码， rs 为源寄存器， rd 为目的寄存器，并规定： (2) 访问指令及转移指令 模型机设计2 条访内指令，即存数（ STA） 、取数（ LDA） ，2 条转移指令， 即无条件转移（ JMP） 、结果为零或有进位转移指令（BZC） ，指令格式为： 7 6 5 4 3 2 1 0 00 M OP-CODE RD D 其中，OP-CODE 为操作码，rd 为目的寄存器地址 （LDA 、STA 指令使用）。 D 为位移量（正负均可），M 为寻址模式，其定义如下： (3) I/O 指令 输入（ IN）和输出（ OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 其中， addr=01 时， 选中 “INPUT DEVICE ” 中的开关组作为输入设备， addr=10 时，选中“ OUTPUT DEVICE ”中的数码块作为输出设备。 (4) 停机指令 指令格式如下： HALT 指令，用于实现停机操作。 Rs 或 rd选定的寄存器 00 01 10 R0 R1 R2 寻址模式 M有效地址 E说明 00 01 10 11 E= D E=（D） E= （RI）+D E=（PC ）+D 直接寻址 间接寻址 RI 变址寻址 相对寻址 14 四、指令和和微程序的设计 (1)指令系统 本模型机共有16 条基本指令，其中算术逻辑指令条，访问内存指令和程序控制指令 条，输入输出指令条，其它指令1 条。表X 列出了各条指令的格式、汇编符号、指令 功能。 按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代 码表，表 X 即为将图X 微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。并将 二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件，见下表X。 24 23 22 21 20 19 18 17 16 1514 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8 A B C A5 A5 A5 A5 A5 A5 、 15 五、线路连接图 16 六、微程序流程及说明 （1）微程序截图流程 5-1 取指令，指令译码 5-2 把操作数送到R1 中 17 5-3 取指令，指令译码。 5-4 把操作数送到R2 中 18 5-5 把 R2，R1 的值送到运算器中并运算。 （2）修改后的机器指令 第一组 地址（H）内容（ H） 助记符说明 $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 19 $M00018108 $M0101ED82 $M0200C050 $M0300A004 $M0400E0A0 $M0500E006 $M0600A007 $M0700E0A0 $M0801ED8A $M0901ED8C $M0A00A03B $M0B018001 $M0C00203C $M0D00A00E $M0E01B60F $M0F95EA25 $M1001ED83 $M1101ED85 $M1201ED8D $M1301EDA6 $M14001001 $M15030401 20 $M16018016 $M173D9A01 $M18019201 $M1901A22A $M1A01B22C $M1B01A232 $M1C01A233 $M1D01A236 $M1E318237 $M1F318239 $M20009001 $M21028401 $M2205DB81 $M230180E4 $M24018001 $M2595AAA0 $M2600A027 $M2701BC28 $M2895EA29 $M2995AAA0 $M2A01B42B $M2B959B41 21 $M2C01A42D $M2D65AB6E $M2E0D9A01 $M2F01AA30 $M300D8171 $M31959B41 $M32019A01 $M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41 $M360D9A01 $M37308838 $M38019801 $M3919883A $M3A019801 $M3B070A08 $M3C068A09 22 七、课程设计的收获及体会 因为课程设计是要求将以前在课堂上学的理论知识运用到实际 的设计当中去，所以在设计过程中，我们一定会碰到各种各样的问题。 为了解决这些问题， 我们一定会仔细认真的去翻阅自己以前学过但是 以为已经了解熟悉的东西。 这在无形中帮助我们加深对所学知识的了 解及运用能力，并且让我们明白什么地方是我们真正需要去关注的。 而且这样我们对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理 解。而课程设计需要我们不但通过翻阅复习以前学过的知识而且需要 查阅更多的相关信息。 通过这次课程设计， 我更进一步了解了计算机 的组成，尤其对数据选择器、移位器、加法器、运算器、存储器和微 程序控制器， 有了非常透彻的认识。 并且对线路的连接与模型机的各 个硬件的结构，以及微程序微指令的一些编制与设计有了一定的了 解。从一种微观的角度更加了解计算机模型机，这样我对于计算机的 了解更加深入。 对于计算机的工作原理也有部分更深入的认识。还体 会到了实践动手和合作的重要性，以及做一件事要有计划和顺序。 23 八、参考资料 1 陈华光 . 计算机组成原理 M. 北京：机械工业出版社， 2004 2 杨小龙. 计算机组成原理与系统结构实验教程M ，西安：西安电子科技大学 出版社， 2004 24 九、评分表 计算机与通信学院课程设计评分表 课题名称：复杂模型计算机的设计 项目评价 设计方案的合理性与创造性 设计与调试结果 设计说明书的质量 答辩陈述与回答问题情况 课程设计周表现情况 综合成绩 教师签名： 日期：