1、課程設計報告課 程 名 稱： 計算機組成原理題 目 名 稱： 復雜模型機的設計與實現專 業 名 稱： 計算機科學與技術班 級：2012240201學 號：201224020112學 生 姓 名：雷 彬同 組 人：曹子愷指 導 老 師 ：單博煒 完 成 時 間 ：2014年12月29日至2014年1月4日第一章 課程設計概述.11.1課程設計的教學目的.11.2課程設計任務和基本要求.1第二章 規定項目的實驗驗證.2 2.1實驗線路圖22.2 測試.22.3 寫程序22.4 聯機讀寫程序32.5 運行程序6第三章 指定應用項目的設計實現.6 3.1 設計任務6 3.2 任務分析及解決方案6 3.

2、3 設計原理.7 3.4 程序運行分析及討論12第四章 收獲和體會.13 第一章、課程設計概述1.1 課程設計的教學目的本課程設計的教學目的是在掌握計算機系統組成及內部工作機制、理解計算機各功能部件工作原理的基礎上，深入掌握數據信息流和控制信息流的方法，進一步加深對計算機系統各模塊間相互關系的認識和整機的概念，培養開發和調試計算機的技能。在設計實踐中提高應用所學專業知識分析問題和解決問題的能力。 此次課題的目的是完整設計一臺模型計算機，進一步建立整機的概念。借助于TDN-CM+的內部可編程資源，運算器單元，控制存儲器，微命令寄存器，地址轉移邏輯，微地址寄存器，控制時序信號單元，寄存器組，總線，

3、輸入輸出單元等，用微程序的方式設計一臺的模型計算機。設計包括模型計算機組成的設計，指令系統的設計，并用匯編語言完成設計并調試成功因此我們先通過一個復雜模型機的設計實驗來進行實際的計算機設計和實現，然后安排了用CPLD 來實現一個CPU 中的大部分功能的設計實驗，接著討論了輸入輸出系統的概念、分類、接口、尋址、基本控制方式等，根據后續微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉移地址。根據微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉化成相應的二進制代碼，寫入到控制存儲器中的相應單元中。在總調試前，先按功能模塊進行組裝和分調，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的運行正確。當所有功能模塊

4、都調試正常后，進入總調試。連接所有模塊，用單步微指令方式執行機器指令的微程序流程圖，當全部微程序流程圖檢查完后，若運行結果正確，則在內存中裝入一段機器指令，進行其他的運行方式等功能調試及執行指令的正確性驗證。在驗證正確后再自己修改幾條微程序，再調試驗證是否達到自己的目的。1.2課程設計的任務和基本要求1、設計任務 綜合運用所學計算機組成原理知識，設計并實現較為完整的計算機。2、基本要求利用所學過的理論知識，特別是微程序設計的思想，設計基于微程序控制器的模型計算機，包括設計相應的硬件平臺、機器指令系統和微指令等。設計環境為TDCMA計算機組成原理教學實驗箱、微機，聯機軟件等。同時設計好基于模型機

5、的測試驗證程序，并在設計好的硬件平臺上調試通過，以驗證所設計的模型機功能的可行性與可靠性。在設計完成的前提下，撰寫出符合要求的課程設計說明書并通過設計答辯。設計具有不少于10條機器指令的復雜指令系統模型機，包含算術邏輯指令、訪問內存指令、控制轉移指令、輸入輸出指令、停機指令等。數據的尋址方式要包括直接、間接、變址和相對尋址等多種尋址方式。利用設計的復雜模型機實現兩個數的減法運算并判斷差得正負，差為正數則輸出A，差為負數則輸出B，差為零則輸出C。在設計好的模型機基礎上，進一步設計一個測試驗證程序，驗證模型機功能的可行性與可靠性。第二章 規定項目的實驗驗證2.1 實驗線路圖2.2 測試在聯機軟件C

6、MPP中打開復雜模型機的數據通路，在菜單中點擊“開始”，按照提示進行測試。2.3 寫程序用聯機軟件在CMPP中將機器指令以及微指令的二進制代碼編輯成十六進制的TXT文件，轉出裝載到試驗系統中。2.4 聯機讀/寫程序選擇聯機軟件的“【轉儲】-【裝載】“功能，在打開文件對話框中選擇上面保存的文件，軟件自動將機器程序和微程序寫入指定單元。機器程序 $P 00 20 ; START: IN R0,00H 從IN單元讀入計數初值 $P 01 00 $P 02 61 ; LDI R1,0FH 立即數0FH送R1 $P 03 0F $P 04 14 ; AND R0,R1 得到R0低四位 $P 05 61

7、; LDI R1,00H 裝入和初值00H $P 06 00 $P 07 F0 ; BZC RESULT 計數值為0則跳轉 $P 08 16 $P 09 62 ; LDI R2,60H 讀入數據始地址 $P 0A 60 $P 0B CB ; LOOP: LAD R3,RI,00H 從MEM讀入數據送R3，變址尋址，偏移量為00H $P 0C 00 $P 0D 0D ; ADD R1,R3 累加求和 $P 0E 72 ; INC RI 變址寄存加1，指向下一數據 $P 0F 63 ; LDI R3,01H 裝入比較值 $P 10 01 $P 11 8C ; SUB R0,R3 $P 12 F0

8、; BZC RESULT 相減為0，表示求和完畢 $P 13 16 $P 14 E0 ; JMP LOOP 未完則繼續 $P 15 0B $P 16 D1 ; RESULT: STA 70H,R1 和存于MEM的70H單元 $P 17 70 $P 18 34 ; OUT 40H,R1 和在OUT單元顯示 $P 19 40 $P 1A E0 ; JMP START 跳轉至START $P 1B 00 $P 1C 50 ; HLT 停機 $P 60 01 ; 數據 $P 61 02 $P 62 03 $P 63 04 $P 64 05 $P 65 06 $P 66 07 $P 67 08 $P 6

9、8 09 $P 69 0A $P 6A 0B $P 6B 0C $P 6C 0D $P 6D 0E $P 6E 0F微程序 $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC->AR, PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; RS->B $M 05 04B201 ; A加B->RD $M 06 002407 ; RS->B $M 07 013201 ; A與B->RD $M 08 106009 ; MEM->AR $M 09 183001 ; IO->RD

10、 $M 0A 106010 ; MEM->AR $M 0B 000001 ; NOP $M 0C 103001 ; MEM->RD $M 0D 200601 ; RD->MEM $M 0E 005341 ; A->PC $M 0F 0000CB ; NOP, P<3> $M 10 280401 ; RS->IO $M 11 103001 ; MEM->RD $M 12 06B201 ; A加1->RD $M 13 002414 ; RS->B $M 14 05B201 ; A減B->RD $M 15 002416 ; RS-&g

11、t;B $M 16 01B201 ; A或B->RD $M 17 002418 ; RS->B $M 18 043201 ; A右環移->RD $M 1B 005341 ; A->PC $M 1C 10101D ; MEM->A $M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 1E 10601F ; MEM->AR $M 1F 101020 ; MEM->A $M 20 10608C ; MEM->AR, P<2> $M 28 101029 ; MEM->A $M 29 00282A ; RI-

12、>B $M 2A 04E22B ; A加B->AR $M 2B 04928C ; A加B->A, P<2> $M 2C 10102D ; MEM->A $M 2D 002C2E ; PC->B $M 2E 04E22F ; A加B->AR $M 2F 04928C ; A加B->A, P<2> $M 30 001604 ; RD->A $M 31 001606 ; RD->A $M 32 006D48 ; PC->AR, PC加1 $M 33 006D4A ; PC->AR, PC加1 $M 34 003

13、401 ; RS->RD $M 35 000035 ; NOP $M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 $M 37 001612 ; RD->A $M 38 001613 ; RD->A $M 39 001615 ; RD->A $M 3A 001617 ; RD->A $M 3B 000001 ; NOP $M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 $M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1 $M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1 $M 3F 006D6C ; PC->AR,

14、PC加1 2.5 運行程序聯機運行程序時，進入軟件界面，裝載機器指令和微指令，調整控制臺，使SWB=1、SWA=1，即啟動程序。選擇【運行】【通路圖】【復雜模型機】功能菜單打開相應動態數據通路圖，按相應功能鍵即可聯機運行、監控、調試程序。在驗證過程中，選擇單步運行微指令，對比微指令每一字段的含義，仔細觀察每一條微指令數據通路圖的運行過程，為指定項目的設計奠定基礎。第三章 指定應用項目的設計與實現3.1 設計任務根據現有指令，在模型機上實現以下運算：從IN單元讀入一個數據，根據讀入數據的低4位值X，求1+2+.+X的累加和，01H到0FH工十五個數據存于60H到6EH單元3.2 任務分析及解決方

15、案將01H到0FH工15個數據存于60H到6EH單元中的話，解決累加和問題的解決步驟如下： 1、從IN單元讀入計數初值； 2、立即數0FH送R1； 3、將R0和R1進行邏輯與運算，得到R0的低四位； 4、裝入計數初值00H； 5、比較計數值，為0則跳轉； 6、讀入數據初始地址給R2； 7、從內存中讀入數據送R3，變址尋址，偏移量為00H； 8、R1和R3的值相加，將和賦給R3； 9、變址寄存器RI加1，指向下一個數據； 10、裝入比較值到R3； 11、將R0與R3相減，并將差值賦給R3； 12、判斷R0的值，若為0，表示求和完畢，不是則跳到第7步繼續執行； 13、累加和存于內存的70H單元，并

16、最后顯示。3.3 設計原理 1、數據格式模型機規定采用定點補碼表示法表示數據，字長為8位，8位全用來表示數據（最高位不表示符號），數值表示范圍是：0 X 1 。2、指令設計模型機設計三大類指令工十五條，其中包括運算類指令，控制轉移類指令，數據傳送類指令。運算類指令包含三種運算，算術運算，邏輯運算和移位運算，設計有6條運算類指令，分別為：ADD、 AND、INC、SUB、OR、RR，所有運算類指令都為單字節，尋址方式采用寄存器直接尋址。控制轉移類指令有三條HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和轉移，其中HLT為單字節指令，JMP和BZC為雙字節指令。數據傳送類指令有IN、OUT、MOV、L

17、DI、LAD、STA共6條，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存儲器之間的數據交換，除MOV指令為單字節指令外，其余均為雙字節指令。3、指令格式所有單字節指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）格式如下：其中，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，并規定：IN和OUT的指令格式為： 其中括號中的1表示指令的第一個字節，2表示指令的第二個字節，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，P為I/O端口號，占用一個字節，系統的I/O地址譯碼原理見如下圖： 由于用的是地址總線的高兩位進行譯碼，I/O地址空間被分為四個區，如下：

18、 系統設計五種數據尋址方式，即立即、直接、間接、變址和相對尋址，LDI指令為立即尋址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具備直接、間接、變址和相對尋址能力。LDI的指令格式如下，第一字節同前一樣，第二字節為立即數。 LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下： 其中M為尋址模式，具體見下表，以R2作為變址寄存器RI。4、指令系統本模型機共有15條基本指令，下表列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。5、總體設計本模型的數據通路框圖如下：根據機器指令系統要求，設計微程序流程圖及確定位地址如下圖：根據系統建議的微指令格式，見下表：參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，議程二進制代碼表，并將二進制代碼表轉換為兩級操作時的十六進制格式文件，如下：設計一段機器程序，將程序存為TXT格式，然后通過CMA軟件導入模型機中，運行。3.4 程序運行分析與討論上機調試步驟 選擇聯機軟件的“【轉儲】【裝載】”功能，在打開文件對話框中選擇保存的文件，軟件自動將機器程序和微程序寫入指定單元。 選擇聯機軟件的“【轉儲】【刷新指令區】”可以讀出下位機所有的機器指令并在指令區顯示，對照文件檢查微程序和機器程序是否正確。如不正確，則應該重新寫入。