1200360204计算机组成原理课程设计

桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告《计算机组成原理》课程设计说明书题目：设计一台嵌入式CISC模型计算机学院：计算机科学与工程学院专业：信息安全学生姓名：马文亭学号：1200360204指导教师：陈智勇桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告目录引言......................................................11.课程设计的题目和内容....................................11.1课程设计的题目...............................................11.2课程设计完成的内容..........................................12.系统总体设计............................................12.1嵌入式CISI模型机系统总体设计.................................22.2嵌入式CISC系统控制器的逻辑结构框图..........................22.3模型机的指令系统和所有指令的指令格式设计......................33.微程序控制器的设计全过程...............................63.1微程序控制器的设计............................................63.2地址转移逻辑电路的设计........................................73.3汇编语言程序.................................................73.4对应的地址秒机器代码表.......................................83.5微程序流程图如下所示.........................................83.6微指令.......................................................94.MAXPLUSii软件编译仿真测试和结果分析.................104.1嵌入式CISC模型计算机的顶层电路图...........................104.2编译仿真测试和结果分析.......................................125.故障现象和故障分析....................................146.心得体会..............................................157.参考文献..............................................178.附录..................................................18桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第1页引言课程设计是实践性教学中的一个重要环节，它以某一课程为基础，可以涉及和课程相关的各个方面，是一门独立于课程之外的特殊课程。课程设计是让同学们对所学的课程更全面的学习和应用，理解和掌握课程的相关知识。“计算机组成原理”是计算机及相关专业一门重要的实践教学内容，是计算机理论和应用的最基本的组成和工作原理。通过学习和实践，可以学生的动手能力，锻炼学生勇于探索、善于思考和团结协作的精神，同时还可提高学生使用计算机解决实际问题的能力。1.课程设计的题目和内容1.1课程设计的题目题目：设计一台嵌入式CISC模型计算机采用定长CPU周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下：输入5个整数（有符号数），输出所有正数的平方和。1.2课程设计完成的内容1.完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图；2.设计微程序控制器（CISC模型计算机）的逻辑结构框图；3.设计机器指令格式和指令系统；4.设计时序产生器电路；5.设计所有机器指令的微程序流程图；6.设计操作控制器单元；在CISC模型计算机中，设计的内容包括微指令格式（建议采用全水平型微指令）、微指令代码表（根据微程序流程图和微指令格式来设计）和微程序控制器硬件电路（包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器等。具体电路根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码来设计）。7.设计模型机的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件----图形描述文件）对模型机中的各个部件进行编程，并使之成为一个统一的整体，即形成桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第2页顶层电路或顶层文件；8.由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序；9.根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序，并将其设计到模型机中的ROM中去；10.使用EDA软件进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求；（其中要利用EDA软件提供的波形编辑器，选择合适的输入输出信号及中间信号进行调试。）2.系统总体设计2.1嵌入式CISI模型机系统总体设计图2—12.2嵌入式CISC系统控制器的逻辑结构框图桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第3页图2-2说明：在T4内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在T2的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。2.3模型机的指令系统和所有指令的指令格式设计CISC模型机的指令系统采用复杂的指令格式、多种指令字长度和多种寻址方式，但指令功能强大，单条指令的执行速度较慢。为了完成这次课程设计的功能，本次设计设计了10条指令：MOV（将一个数送入寄存器），IN（输入），DEC（自减1），JNZ（不等于0跳转），TEST（测试DR，锁存FS），JS（小于0跳转），IMUL（求平方），ADD（求和），OUT（输出），JMP（比较）。如下用到的Rs和Rd分别表示源寄存器和目的寄存器，各自的指令格式如下：(1)输入指令（IN1）格式：1514131211109876543210操作码××Rd××××××MOV指令格式：相加指令（ADD）格式：1514131211109876543210操作码××Rd立即数im桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第4页1514131211109876543210操作码RsRd××××××减1指令（DEC）格式：1514131211109876543210操作码××Rd××××××非零条件转移指令（JNZ）格式：1514131211109876543210操作码××××地址addr无条件转移指令（JMP）格式：1514131211109876543210操作码××××地址addr输出指令（OUT1）格式：乘法指令（IMUL）格式：1514131211109876543210操作码××Rd××××××判断箱号位转移（TEST）格式：1514131211109876543210操作码RSＲｄ××××××非负条件转移指令（JS）格式：1514131211109876543210操作码××××地址addr(2)模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下：76543210符号位尾数(3)对于Rs或Rd的格式我们规定如下：1514131211109876543210操作码Rs××××××××桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第5页Rs或Rd选定的寄存器00R001R110R211R3(4)其中S2，S1，S0表示的是算术逻辑运算单元ALU，其功能表为：S2S1S0功能000X+Y001X-Y010Y*Y011X-1100SF=TEMP(7)101X∨Y110Y表2-1(5)程序计算器PC的功能表：CLRLOADLDPC功能0××将PC清010↑BUS--PC110不装入，也不计数11↑PC+1表2-2（6）指令系统表如下：指令助记符指令格式功能15-121110987-------------0INRd0001××Rd××××××××输入设备-RdMOVRd,im0010××Rdim((Rs))-RdDECRd0011××Rd××××××××(Rd)-1-Rd,锁存标志位桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第6页TESTRd0100××Rd××××××××测试(Rd)的最高位JSaddr0101××××addr若为负，则addr-PCMULRd0110××Rd××××××××(RD)*(RD)-RD,锁存标志ADDRs,Rd0111RsRd××××××××(Rs)+(Rd)-Rd,锁存标志OUTRs1000Rs××××××××××(Rs)-输出设备JMPaddr1001××××addrAddr-PCJNZaddr1010××××addr若不等，则addr-PC表2-3(7)时序产生器时序信号产生器用于产生多级食醋系统中需要的时序信号，本实验采用的是微程序控制器的时序产生器，如下图图2-33.微程序控制器的设计全过程3.1微程序控制器的设计微程序控制器的设计包括以下几个阶段：（1）根据微处理器结构图、指令格式和功能设计所有机器指令的微程序流程图，并确定每条微指令的微地址和后继微地址；（2）设计微指令格式和微指令代码表；（3）设计地址转移逻辑电路；桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第7页（4）设计微程序控制器中的其它逻辑单元电路，包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器；（5）设计微程序控制器的顶层电路（由多个模块组成）。3.2地址转移逻辑电路的设计地址转移逻辑电路是根据微程序流程图中的棱形框部分及多个分支微地址，利用微地址寄存器的异步置“1”端，实现微地址的多路转移。由于微地址寄存器中的触发器异步置“1”端低电平有效，与µA5～µA0对应的异步置“1”控制信号SE6～SE1的逻辑表达式为：SE6=ZF·P(3)·T4SE5=ZF·P(2)·T4SE4=I15·P(1)·T4SE3=I14·P(1)·T4SE2=I13·P(1)·T4SE1=I12·P(1)·T43.3汇编语言程序本题目的算法思想为：采用R0寄存器存放从输入设备输入的整数，R1存放准备参加累加运算的结果，R2存放循环的次数。汇编语言如下所示：汇编功能MOVR1，0将立即数00→R1(R1用于计算累加的结果，开始时清0)MOVR2，5将立即数05→R2(R2用于存放循环次数：5次)LOOP1:INRO从输入设备输入一个数到R0TESTR0测试R0的最高位，锁存SFJSLOOP2若为负，转到LOOP2MULROR0自乘，结果赋给R0ADDRO,R1R0+R1-R1LOOP2:DECR2R2自减1，结果放到R2JNZLOOP1若不为0，则跳转到LOOP1LOOP3：OUTR1输出平方和JMPLOOP3循环显示桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告第8页3.4对应的地址秒机器代码表：地址（十六进制）汇编机器代码00MOVR1，0001000010000000001MOVR2，5001000100000000002LOOP1：INRO000100000000000003TESTR0010000000000000004JSLOOP2010100000000011105MULR0011000000000000006ADDR0，R1011100010000000007LOOP2：DECR2001100100000000008JNZLOOP1101000000000001009LOOP3:OUTR110000100000000000AJMPLOOP31001000000001010表3-13.5微程序流程图如下所示：PC-ABUS(I)RDROMIBUS-IRPC+1P(1)桂林电子科技大学计算机组成原理课设报告