复杂模型机的设计与实现

1计算机组成原理课程设计实验报告设计题目复杂模型机的设计与实现专业班级计算机科学与技术1004指导教师日期2013.01.10开发小组成员组员：岂亚娟1008030415杨娜1008030418吴兴欢1008030401刘甜10080304022复杂模型机的设计与实现一、课程设计目的综合运用所学计算机原理实验知识，设计并实现较为完整的计算机。二、设计要求1、确定设计目标参考实验指导书上复杂模型机设计的过程，运用其微指令格式，独立设计指令系统。并用该指令系统中的指令编一完成简单运算的程序（有数据输入和输出的）。并进行调试运行。2、确定指令系统确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。3、总体结构与数据通路总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。在此基础上，就可以拟出各种信息传送路径，以及实现这些传送所需要的微命令。对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器采用微程序控制。综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，采用何种方案的内总线及外总线。数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。4、设计指令执行流程数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。根据指令的复杂程度，每条指令所需要的机器周期数。对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。5、确定微程序地址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。6、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。7、组装、调试在总调试前，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3能保证整机的运行正确。当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。三、数据格式以及指令格式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8位，其格式如下：7654321符号尾数2、指令格式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、访问存储器及转移指令和停机指令。(1)算术逻辑指令设计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，其格式如下：76543210OP-CODERsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：选中的寄存器（Rs或Rd）R0R1R2寄存器的编码000110(2)访存指令及转移指令模型机设计2条访问指令，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)。其格式如下：76543210OP-CODEMOP-CODERdD其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：4寻址方式有效地址说明00E=D直接寻址01E=（D）间接寻址10E=（RI）+DRI变址寻址11E=（PC）+D相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。(3)I/O指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：其中，addr=01时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码块作为输出设备。(4)停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：76543210011000003、指令系统（1）本模型机共有16条基本指令。其中，算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1复杂模型机指令系统序号汇编符号指令格式功能说明1CLRRd011100Rd0→Rd2MOVRS,Rd1000RSRdRS→Rd3ADCRS,Rd1001RSRdRS＋Rd＋Cy→Rd4SBCRS,Rd1010RSRdRS－Rd－Cy→Rd76543210OP-CODEaddrRD55INCRd1011--RdRd＋1→Rd6ANDRS,Rd1100RSRdRS∧Rd→Rd7COMRd110100RdRd→Rd8RRCRS,Rd1110RSRdRS带进位右循环一位，RS→Rd9RLCRS,Rd1111RSRdRS带进位左循环一位，RS→Rd10LDAM,D,Rd00M00Rd，DE→Rd11STAM,D,Rd00M01Rd，DRd→E12JMPM,D00M1000，DE→PC13BZCM,D00M1100，D当CY=1或ZI=1时，E→PC14INaddr,Rd010001Rdaddr→Rd15OUTaddr,Rd010110RdRd→addr16HALT01100000停机（2）微指令格式表2复杂模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段C字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_B001P1010LDDR1010RD_B010P2011LDDR2011RI_B011P3100LDIR100299_B100P4101LOAD101ALU_B101AR6110LDAR110PC_B110LDPC其中uA5~uA0为6位的后继微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。C字段中的P1~P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3~uA0）与指令寄存器高四位（IR7~IR4）相或得到各路分支；P2测试用下址低2位（uA1~uA0）与指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4与(ZI+CY)相或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位（uA1~uA0）与SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_B、RD_B、RI_B分别为源寄存器选通信号，目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。三字段中的其他位类似与此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。（3）微程序流程图本模型机的数据通路如图1所示。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图2所示.工作时序波形图如图3所示指令译码器及逻辑表达式如图4所示寄存器译码器如图5所示图3时序波形图7如图4指令译码器SE1=I4•T4•P1+I2•T4•P2+P4•T4•SWASE2=I5•T4•P1+I3•T4•P2+P4•T4•SWBSE3=I6•T4•P1SE4=I7•T4•P1SE5=P3•T4•(FC+FZ)图5寄存器译码器8图1复杂模型机的设计的数据通路图9图2微程序流程图10微地址S3~CNWEA9A8ABCuA5~uA00000000001100000010000100001000000011110110110000010020000000011000000010100002000000001111011011000001103000000001010000000000100040000000011100000101000004000000000111011011000010105000000001110000000000110060000000010100000000001110700000000111000001010000022000000011110110110001101150000000010100000000011101610010101111010100010010145100101011010101010100000230000000111101101101001104600000000101000000010011147000000011011110000101000501001010111101010001010015110010101101010101010000024000000011001000000000001250000001100000100000000012600000001100000000001011027001111011001101000000001300000000110010010000000013100000001101000100010101052000000011011010000101011531001010110110010001011001132000000011010010000001101540000000110100100001011015501100101101010110110111056000011011001101000000001620000000110011010000000013400000001101000100011001163000000011011010000110101651011100110011011010000014100000010100001000000000142000001011101101110000001430000000110000000111001004400000001100000000000000164000001011101101110000001110000000111101101100011001400000000001000000011110074000001101000101000001001100000000111101101100010101200000000101000000011101173000001110000101000001000130000000110000000000000013500000001101000100011011037001100011000001000111001360011000110000010001101116600001101100110100000000167001010011000100000111000700000000110011000000000017100011001100010000011101072000000011001100000000001图3实验线路图12（4）实验的接线图为：BUSUNITB7B0W/RUNITT4T3T2T1WEB7B0B7B0B7B0S3CNLDDR1LDDR2ALU-BALUUNITAUJ3RJ1REGUNITLDARLOADPC-BLDPCADDRESSUNITD7D0AD7AD0W/RD7D0CEMAINMEMM24M19LDDR1LDDR2ALU-BLDARLOADPC-BLDPCM18TS4TS3TS2TS1STATEUNITH23SIGNALUNITSE6SE1P(1)P(3)SE6SE1P(1)P(4)SWBSWAI7I2SWASWBSWITCHUNITI7I2LOGUNITLDIRLDIRINSUNITA8A9M16M17MICRO-CONTROLLERD7D0D7D0D7D0EXUNITY0Y1Y2INPUTDEVICESWJ3SW-BLED-BW/ROUTPUTDEVICEW/REXTBUSADJ6299-B299-BB7B0AUJ1ARARCYZIFCFZR0-BR2-BR1-BLDR0LDR1LDR2LOGUNITR