1、計算機組成原理課程設(shè)計說明書題 目： 設(shè)計求平均值的CISC模型計算機 院 （系）： 計算機科學與工程學院 專 業(yè)： 計算機科學與技術(shù) 學生姓名： 吳建海 學 號： 1100310526 指導教師： 陳智勇 1、課程設(shè)計的題目和內(nèi)容：設(shè)計一臺嵌入式CISC模型計算機（采用定長CPU周期、聯(lián)合控制方式），并運行能完成一定功能的機器語言程序進行驗證。 要求連續(xù)輸入5個有符號整數(shù)（用8位二進制補碼表示，十六進制數(shù)輸入）求所有數(shù)的平均值并輸出顯示。說明：5個有符號數(shù)從外部輸入； 一定要使用符號位（比如說SF）課程設(shè)計完成的內(nèi)容 1.完成系統(tǒng)的總體設(shè)計，畫出模型機數(shù)據(jù)通路框圖； 2.設(shè)計微程序控制器（C

2、ISC模型計算機）的邏輯結(jié)構(gòu)框圖； 3.設(shè)計機器指令格式和指令系統(tǒng)； 4.設(shè)計時序產(chǎn)生器電路； 5.設(shè)計所有機器指令的微程序流程圖； 6.設(shè)計操作控制器單元；在CISC模型計算機中，設(shè)計的內(nèi)容包括微指令格式（建議采用全水平型微指令）、微指令代碼表（根據(jù)微程序流程圖和微指令格式來設(shè)計）和微程序控制器硬件電路（包括地址轉(zhuǎn)移邏輯電路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存儲器等。具體電路根據(jù)微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖、微指令格式和微指令代碼來設(shè)計）。 7.設(shè)計模型機的所有單元電路，并用VHDL語言（也可使用GDF文件-圖形描述文件）對模型機中的各個部件進行編程，并使之成為一個統(tǒng)一的整體，即形成頂層電路或

3、頂層文件； 8.由給出的題目和設(shè)計的指令系統(tǒng)編寫相應(yīng)的匯編語言源程序； 9.根據(jù)設(shè)計的指令格式，將匯編語言源程序手工轉(zhuǎn)換成機器語言源程序，并將其設(shè)計到模型機中的ROM中去； 10.使用EDA軟件進行功能仿真，要保證其結(jié)果滿足題目的要求；（其中要利用EDA軟件提供的波形編輯器，選擇合適的輸入輸出信號及中間信號進行調(diào)試。）2、 系統(tǒng)的總體設(shè)計：整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路如下所示：控制器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖：指令寄存器IR操作碼微地址寄存器地址譯碼控制存儲器地址轉(zhuǎn)移邏輯狀態(tài)條件微命令寄存器P字段操作控制字段微命令信號本模型機中的指令系統(tǒng)中共有12條基本指令，下表列出了每條指令的格式、匯編符號和指令功能。1、 模型機

4、的指令系統(tǒng)和所有指令的指令格式本模型機中的指令系統(tǒng)中共有12條基本指令，下表列出了每條指令的格式、匯編符號和指令功能。指令助記符指令格式功能15-1211 109 87-0IN1 Rd0001××Rd××××××××輸入設(shè)備RdMOV Rd,im0010××Rdim立即數(shù)RdCMP Rs,Rd0011RsRd××××××××(Rs)-(Rd),鎖存標志位ADD Rs,Rd0100RsRd×

5、;×××××××(Rs)+(Rd)Rd，鎖存標志位INC Rd0101××Rd××××××××(Rd)+1Rd，鎖存標志位DEC Rd0110××Rd××××××××(Rd)-1Rd，鎖存標志位JNZ addr0111××××addr若不等，則addrPCJNC addr1000Rs

6、15;×addr若相等，則addrPCJMP addr1001××××addraddrPCOUT1 Rs1010Rs××××××××××(Rs)輸出設(shè)備SUB Rs,Rd1011RsRd××××××××(Rs)-(Rd)RdMOV1 Rs,Rd1100RsRd××××××××(Rs)Rd說

7、明：對Rs和Rd的規(guī)定：Rs或Rd選定的寄存器0 0R00 1R11 0R2 1 1R3 模型機規(guī)定數(shù)據(jù)的表示采用定點整數(shù)補碼表示，單字長為8位，其格式如下：76 5 4 3 2 1 0符號位尾數(shù)指令格式：（1）I/O指令（單字節(jié)）IN輸入指令：7 6 5 43 21 0 操作碼× ×RdOUT輸出指令：7 6 5 43 21 0 操作碼Rs× ×（2）MOV指令（雙字節(jié)）7 6 5 43 21 0 操作碼× ×Rddata（3） CMP指令（單字節(jié)） 7 6 5 43 21 0 操作碼RsRd“Rs”為源寄存器，存放的是源操作數(shù) “

8、Rd”為目的寄存器，存放的是目的操作數(shù)所在的地址（4）算數(shù)運算指令（單字節(jié)）ADD、SUB7 6 5 43 21 0 操作碼RsRd“Rs”為源寄存器，存放的是源操作數(shù) “Rd”為目的寄存器，存放的是目的操作數(shù)所在的地址（5）DEC（單字節(jié)）自減1指令：7 6 5 43 21 0 操作碼× ×Rd（6）INC指令（單字節(jié)）7 6 5 43 21 0 操作碼× ×Rd（7）JNZ、JMP、JNC條件轉(zhuǎn)移指令（雙字節(jié)）7 6 5 43 2 1 0 操作碼× × × ×addrT1、T2、T3、T4與CLR、Q之間的關(guān)系

9、圖QCLRT1T2T3T4一個CPU周期現(xiàn)在,我們開始微程序控制器的設(shè)計,它包括以下幾部分工作:(1）根據(jù)指令格式和指令系統(tǒng)設(shè)計所有機器指令的微程序流程圖，并確定每條微指令的微地址和后繼微地址；（2）設(shè)計微指令格式和微指令代碼表；（3）設(shè)計地址轉(zhuǎn)移邏輯電路；（4）設(shè)計微程序控制器中的其它邏輯單元電路，包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存儲器；（5）設(shè)計微程序控制器的頂層電路。 首先做第一步,根據(jù)指令格式和指令系統(tǒng)設(shè)計所有機器指令的微程序流程圖.對于我設(shè)計的模型機，對應(yīng)的指令流程圖如下所示 第二步,指令流程圖設(shè)計完成后,開始設(shè)計微指令格式和微指令代碼表,按照要求,CISC模型機系統(tǒng)使用的微指令

10、采用全水平型微指令，字長為26位，其中微命令字段為17位，P字段為3位，后繼微地址為6位，其格式如下： 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0LOAD LDPC LDAR LDIR LDRi RD_B RS_B S2 S1 S0 ALU_B LDAC LDDR WR CS SW_B LED_B LDFR P1 P2 P3 后繼微地址按照這個格式,再根據(jù)我設(shè)計的指令流程圖,可以得到:PCAR PC+1由微指令格式和微程序流程圖編寫的微指令代碼表如下所示，在微指令的代碼表中微命令字段從左邊到右代表

11、的微命令信號依次為：LOAD、LDPC、LDAR、LDIR、LDRi、RD_B、RS_B、S3、S1、S0、ALU_B、LDAC、LDDR、WR、CS、SW_B、LED_B、LDFR。P字段在下頁附圖中第三步:設(shè)計好了微指令代碼表之后,我們可以開始設(shè)計地址轉(zhuǎn)移邏輯電路地址轉(zhuǎn)移邏輯電路是根據(jù)微程序流程圖3-2中的棱形框部分及多個分支微地址，利用微地址寄存器的異步置“1”端，實現(xiàn)微地址的多路轉(zhuǎn)移。由于微地址寄存器中的觸發(fā)器異步置“1”端低電平有效，與µA4µA0對應(yīng)的異步置“1”控制信號SE5SE1的邏輯表達式為：（µA5的異步置“1”端SE6實際未使用SE5=FS&

12、#183;P(2)·T4SE4=I7·P(1)·T4SE3=I6·P(1)·T4SE2=I5·P(1)·T4SE1=I4·P(1)·T4嵌入式CISC模型計算機的頂層電路圖匯編語言源程序和機器源程序： 地址（十六進制）匯編語言源程序 機器語言源程序00 MOV R1,05H 01 MOV R3,00H02L1: IN1 R003 ADD R0,R304 DEC R105 JNZ L106 MOV R0，F(xiàn)BH07 MOV R1，05H08 MOV R2，00H09 CMP R3，R20A JNC L30B

13、L2: CMP R3 R00C JNC L50D DEC R20E ADD R1,R30F JMP L210L3: CMP R3,R111 JNC L412 JMP L513L4: INC R214 SUB R3,R115 MOV1 R1，R316 MOV R1，05H17 JMP L318L5: OUT1 R219 JMP L5機器語言源程序的功能仿真波形圖及結(jié)果分析可以看出，此時R2中存放的03就是結(jié)果，數(shù)據(jù)輸出端OD輸出的就是R2內(nèi)的數(shù)據(jù)。故障現(xiàn)象和故障分析在做的過程中出現(xiàn)了很多問題。在仿真的時候，在觀察y輸入信號的時候發(fā)現(xiàn)在一個周期內(nèi)值改變了多次，一直檢查不出來，后來請教了同學，才發(fā)現(xiàn)

14、是DEC指令的機器代碼在ALU里面的和COMTROM的不一樣，導致執(zhí)行的不是這個指令，改正之后，終于解決了 心得體會剛開始去上老師的課時，聽得一頭霧水，因為發(fā)現(xiàn)好多地方自己同不懂。然后我就去看課本，同時問老師一些問題，當看到其他同學也問老師問題時，自己也跑過去湊熱鬧，因為這樣可以了解更多的知識。直到后來才發(fā)現(xiàn)，原來除了設(shè)計自己的指令外，我們需要寫MCOMMAND，寫CONTROM來解析我們寫的指令，這或許可以算得上一個極簡單的CPU模型了吧。就是有了微程序控制器，計算機才認識我們自己設(shè)計的指令，才知道當讀取到什么指令時該執(zhí)行什么操作。聽得多了，看得多了，就漸漸的明白了一些課設(shè)的相關(guān)知識，然后畫

15、指令流程圖，設(shè)計指令，寫程序完成任務(wù)，這些幾乎都是水到渠成的工作了，很多都可以依葫蘆畫瓢來完成。本次課設(shè)，由于匯編學的很差，期匯編代碼是和班級同學的相同，但是自己重新設(shè)計了指令周期流程圖，經(jīng)過調(diào)試得出的結(jié)果其實只要把最基本的原理搞明白了，后續(xù)工作開展是非?？斓?。但在沒明白原理前，千萬不要畏懼困難，慢慢的一點一點學習，特別是仿真軟件的學習和使用，需要花費相當?shù)臅r間。只要認真了，就有可能實現(xiàn)。軟件清單：本次直接使用的是校園網(wǎng)的軟件圖，只有CROM、ROM、改動較大。其他涉及到微指令字段的，把所有的字段位數(shù)改成26位即可LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL

16、;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_SIGNED.ALL;ENTITY ROM IS PORT(DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);ADDR:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);CS_I:IN STD_LOGIC);END ROM;ARCHITECTURE A OF ROM ISBEGIN DOUT<= "0000000000000000"END A;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE

17、 IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_SIGNED.all;ENTITY ALU ISPORT( X: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); Y: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); S2,S1,S0: IN STD_LOGIC; ALUOUT: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) ; CF,ZF: OUT STD_LOGIC );END ALU;ARCHITECTURE A OF ALU ISSIGNAL AA,BB,TEMP:STD_LOGIC_VEC

18、TOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL TEMP1:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN PROCESSBEGIN IF(S2='0' AND S1='0' AND S0='0') THEN-ADD AA<='0'&X; BB<='0'&Y; TEMP<=AA+BB;ALUOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0); CF<=TEMP(8); IF (TEMP="100000000" OR TEMP="

19、000000000") THEN ZF<='1' ELSE ZF<='0' END IF;ELSIF(S2='0' AND S1='0' AND S0='1') THEN -CMP(SUB) ALUOUT<=X-Y;IF(X<Y) THEN CF<='1' ZF<='0' ELSIF(X=Y) THEN CF<='0' ZF<='1' ELSE CF<='0' ZF<

20、='0' END IF; ELSIF(S2='0' AND S1='1' AND S0='0') THEN -INC AA<='0'&Y; TEMP<=AA+1; ALUOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0); CF<=TEMP(8); IF (TEMP="100000000") THEN ZF<='1' ELSE ZF<='0' END IF; ELSIF(S2='0' AND S1='1&

21、#39; AND S0='1') THEN -DEC AA<='0'&Y; TEMP<=AA-1; ALUOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0); CF<=TEMP(8); IF (TEMP="000000000") THEN ZF<='1' ELSE ZF<='0' END IF; ELSIF(S2='1' AND S1='0' AND S0='0') THEN -AND TEMP1<=X AND Y; AL

22、UOUT<=TEMP1; CF<='0' IF (TEMP1="00000000") THEN ZF<='1' ELSE ZF<='0' END IF; ELSIF(S2='1' AND S1='0' AND S0='1') THEN -OR TEMP1<=X OR Y; ALUOUT<=TEMP1; CF<='0' IF (TEMP1="00000000") THEN ZF<='1

23、9; ELSE ZF<='0' END IF; ELSIF(S2='1' AND S1='1' AND S0='0') THEN -Rd->BUS ALUOUT<=Y;ELSE ALUOUT<="00000000" ; CF<='0' ZF<='0' END IF; END PROCESS;END A;在這里附上CROM的圖以為設(shè)計了JNC指令，所以增加了P3測試LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CONT