计算机组成原理复杂模型机设计

课程设计报告课程名称：计算机组成原理题目名称：复杂模型机的设计与实现专业名称：计算机科学与技术班级：2012240201学号：201224020112学生姓名：雷彬同组人：曹子恺指导老师：单博炜完成时间：2014年12月29日至2014年1月4日第一章课程设计概述…………………………………………………….11.1课程设计的教学目的……………………………………………….11.2课程设计任务和基本要求………………………………………..1第二章规定项目的实验验证………………………………………….22.1实验线路图…………………………………………………………………………22.2测试………………………………………………………………………..22.3写程序……………………………………………………………………22.4联机读写程序…………………………………………………………32.5运行程序…………………………………………………………………6第三章指定应用项目的设计实现………………………………….63.1设计任务…………………………………………………………………63.2任务分析及解决方案………………………………………………63.3设计原理………………………………………………………………..73.4程序运行分析及讨论………………………………………………12第四章收获和体会………………………………………………………..13-1-第一章、课程设计概述1.1课程设计的教学目的本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握数据信息流和控制信息流的方法，进一步加深对计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。在设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。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。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。在验证正确后再自己修改几条微程序，再调试验证是否达到自己的目的。1.2课程设计的任务和基本要求1、设计任务综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机。2、基本要求利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，设计基于微程序控制器的模型计算机，包括设计相应的硬件平台、机器指令系统和微指令等。设计环境为TD－CMA计算机组成原理教学实验箱、微机，联机软件等。同时设计好基于模-2-型机的测试验证程序，并在设计好的硬件平台上调试通过，以验证所设计的模型机功能的可行性与可靠性。在设计完成的前提下，撰写出符合要求的课程设计说明书并通过设计答辩。设计具有不少于10条机器指令的复杂指令系统模型机，包含算术逻辑指令、访问内存指令、控制转移指令、输入输出指令、停机指令等。数据的寻址方式要包括直接、间接、变址和相对寻址等多种寻址方式。利用设计的复杂模型机实现两个数的减法运算并判断差得正负，差为正数则输出A，差为负数则输出B，差为零则输出C。在设计好的模型机基础上，进一步设计一个测试验证程序，验证模型机功能的可行性与可靠性。第二章规定项目的实验验证2.1实验线路图2.2测试在联机软件CMPP中打开复杂模型机的数据通路，在菜单中点击“开始”，按照提示进行测试。2.3写程序用联机软件在CMPP中将机器指令以及微指令的二进制代码编辑成十六进制的-3-TXT文件，转出装载到试验系统中。2.4联机读/写程序选择联机软件的“【转储】-【装载】“功能，在打开文件对话框中选择上面保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。机器程序$P0020;START:INR0,00H从IN单元读入计数初值$P0100$P0261;LDIR1,0FH立即数0FH送R1$P030F$P0414;ANDR0,R1得到R0低四位$P0561;LDIR1,00H装入和初值00H$P0600$P07F0;BZCRESULT计数值为0则跳转$P0816$P0962;LDIR2,60H读入数据始地址$P0A60$P0BCB;LOOP:LADR3,[RI],00H从MEM读入数据送R3，变址寻址，偏移量为00H$P0C00$P0D0D;ADDR1,R3累加求和$P0E72;INCRI变址寄存加1，指向下一数据$P0F63;LDIR3,01H装入比较值$P1001$P118C;SUBR0,R3$P12F0;BZCRESULT相减为0，表示求和完毕$P1316$P14E0;JMPLOOP未完则继续$P150B$P16D1;RESULT:STA70H,R1和存于MEM的70H单元$P1770$P1834;OUT40H,R1和在OUT单元显示-4-$P1940$P1AE0;JMPSTART跳转至START$P1B00$P1C50;HLT停机$P6001;数据$P6102$P6203$P6304$P6405$P6506$P6607$P6708$P6809$P690A$P6A0B$P6B0C$P6C0D$P6D0E$P6E0F微程序$M00000001;NOP$M01006D43;PC-AR,PC加1$M03107070;MEM-IR,P1$M04002405;RS-B$M0504B201;A加B-RD$M06002407;RS-B$M07013201;A与B-RD$M08106009;MEM-AR$M09183001;IO-RD$M0A106010;MEM-AR-5-$M0B000001;NOP$M0C103001;MEM-RD$M0D200601;RD-MEM$M0E005341;A-PC$M0F0000CB;NOP,P3$M10280401;RS-IO$M11103001;MEM-RD$M1206B201;A加1-RD$M13002414;RS-B$M1405B201;A减B-RD$M15002416;RS-B$M1601B201;A或B-RD$M17002418;RS-B$M18043201;A右环移-RD$M1B005341;A-PC$M1C10101D;MEM-A$M1D10608C;MEM-AR,P2$M1E10601F;MEM-AR$M1F101020;MEM-A$M2010608C;MEM-AR,P2$M28101029;MEM-A$M2900282A;RI-B$M2A04E22B;A加B-AR$M2B04928C;A加B-A,P2$M2C10102D;MEM-A$M2D002C2E;PC-B$M2E04E22F;A加B-AR$M2F04928C;A加B-A,P2$M30001604;RD-A$M31001606;RD-A-6-$M32006D48;PC-AR,PC加1$M33006D4A;PC-AR,PC加1$M34003401;RS-RD$M35000035;NOP$M36006D51;PC-AR,PC加1$M37001612;RD-A$M38001613;RD-A$M39001615;RD-A$M3A001617;RD-A$M3B000001;NOP$M3C006D5C;PC-AR,PC加1$M3D006D5E;PC-AR,PC加1$M3E006D68;PC-AR,PC加1$M3F006D6C;PC-AR,PC加12.5运行程序联机运行程序时，进入软件界面，装载机器指令和微指令，调整控制台，使SWB=1、SWA=1，即启动程序。选择【运行】→【通路图】→【复杂模型机】功能菜单打开相应动态数据通路图，按相应功能键即可联机运行、监控、调试程序。在验证过程中，选择单步运行微指令，对比微指令每一字段的含义，仔细观察每一条微指令数据通路图的运行过程，为指定项目的设计奠定基础。第三章指定应用项目的设计与实现3.1设计任务根据现有指令，在模型机上实现以下运算：从IN单元读入一个数据，根据读入数据的低4位值X，求1+2+.......+X的累加和，01H到0FH工十五个数据存于60H到6EH单元3.2任务分析及解决方案将01H到0FH工15个数据存于60H到6EH单元中的话，解决累加和问题的解决步骤如下：1、从IN单元读入计数初值；-7-2、立即数0FH送R1；3、将R0和R1进行逻辑与运算，得到R0的低四位；4、装入计数初值00H；5、比较计数值，为0则跳转；6、读入数据初始地址给R2；7、从内存中读入数据送R3，变址寻址，偏移量为00H；8、R1和R3的值相加，将和赋给R3；9、变址寄存器RI加1，指向下一个数据；10、装入比较值到R3；11、将R0与R3相减，并将差值赋给R3；12、判断R0的值，若为0，表示求和完毕，不是则跳到第7步继续执行；13、累加和存于内存的70H单元，并最后显示。3.3设计原理1、数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，8位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：0≤X≤－1。2、指令设计模型机设计三大类指令工十五条，其中包括运算类指令，控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算，逻辑运算和移位运算，设计有6条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共6条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。3、指令格式所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）格式如下：82-8-其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定：IN和OUT的指令格式为：其中括号中的1表示指令的第一个字节，2表示指令的第二个字节，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见如下图：由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如下：系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。LDI的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下：-9-其中M为寻址模式，具体见下表，以R2作为变址寄存器RI。4、指令系统本模型机共有15条基本指令，下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。5、总体设计本模型的数据通路框图如下：-10-根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定位地址如下图：根据系统建议的微指令格式，见下表：-11-参照微指令流程图，将每条微指令