湖南工業大學課程設計資料袋計算機與通信學院（系、部）2015~2016學年第2學期課程名稱計算機組成原理指導教師楊偉豐職稱教授學生姓名楊文鑫專業班級軟件1402學目復雜模型機的設計成績起止日期2016年6月27日～2016年7月1日目錄清單序號材料名稱資料數量備注1課程設計任務書12課程設計說明書13張456湖南工業大學課程設計任務書2015—2016學年第2學期計算機與通信學院（系、部）軟件專業1402班級課程名稱：計算機組成原理設計題目：復雜模型機的設計完成期限：自2016年6月27日至2016年7月1日共1周內容及任務1.根據復雜模型機的指令系統，編寫實驗程序2.按圖連接實驗線路，仔細檢查線路無誤后接通電源。3.寫程序4.運行程序進度安排起止日期工作內容2016.6.27-2016.6.28連接線路進行實驗主要參考資料唐朔飛.計算機組成原理.北京：高等教育出版社指導教師（簽字）：年月日系（教研室）主任（簽字）：年月日

設計說明書計算機組成原理復雜模型機的設計起止日期：2016年6月27日至2016年7月1日學生姓名楊文鑫班級軟件1402學績指導教師(簽字)計算機與通信學院（部）2016年7月1日設計題目：復雜模型機的設計一、設計目的綜合運用所學計算機原理知識，設計并實現較為完整的模型計算機。二、設計內容根據復雜模型機的指令系統，編寫實驗程序，并運行程序，觀察和記錄運行結果。三、預備知識1、數據格式模型機規定采用定點補碼表示法表示數據，且字長為8位，其格式如下：數據位數D7D6D5D4D3D2D1D0用途符號尾數其中第7位為符號位，數值表示范圍是：－1≤X＜1。2、指令格式模型機設計四大類指令共十六條，其中包括算術邏輯指令、I/O指令、訪問存儲器、轉移指令和停機指令。（1）算術邏輯指令設計9條算術邏輯指令并用單字節表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：數據位數D7D6D5D4D3D2D1D0用途操作碼（OP-CODE）源寄存器（RS）目的寄存器（RD）規定：選中的寄存器（RS或RD）R0R1R2寄存器的編碼000110算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表2—3。（2）訪存指令及轉移指令模型機設計2條訪存指令，即存數（STA）、取數（LD），2條轉移指令，即無條件轉移（JMP）、結果為零或有進位轉移指令（BZC），指令格式為：數據位數D7D6D5D4D3D2D1D0D7……D0用途00尋址模式M操作碼OP-CODE目的寄存器編碼RD位移量D其中，OP－CODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（LD、STA指令使用）。D為位移量（正負均可），M為尋址模式，其定義如下：尋址模式M有效地址E說明００D直接尋址０１(D)間接尋址１０(RI)+DRI變址尋址１１(PC)+D相對尋址本模型機規定變址寄存器RI指定為寄存器R2。（3）I/O指令輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節指令，其格式如下：數據位數D7D6D5D4D3D2D1D0用途操作碼（OP-CODE）地址（addr）目的寄存器（RD）其中，在IN指令中，addr=01，選中“INPUT”中的開關組作為輸入設備，在OUT指令中，addr=10時，表示選中“OUTPUTUNIT”中的數碼塊作為輸出設備。（4）停機指令指令格式如下：數據位數D7D6D5D4D3D2D1D0值01100000HALT指令，機器碼為60H，用于實現停機操作。3、指令系統復雜模型機共有16條基本指令，其中算術邏輯指令7條，訪問內存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其它指令1條。表2-3列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表2-3復雜模型機指令系統助記符指令格式指令長度(字節數)指令功能第一字節第二字節CLRrd011100rd無10→RDMOVrs,rd1000rsrd無1RS→RDADCrs,rd1001rsrd無1RS+RD+cy→RDSBCrs,rd1010rsrd無1RS-RD-cy→RDINCrd1011××rd無1RD+1→RDANDrs,rd1100rsrd無1RS^RD→RDCOMrd1101××rd無1→RDRRCrs,rd1110rsrd無1RS帶進位循環右移一位，然后RS→RDRLCrs,rd1111rsrd無1RS帶進位循環左移一位，然后rs→RDLADM,D,rd00M00rdD2有效數據E→RDSTAM,D,rd00M01rdD2RD→有效地址EJMPM,D00M1000D2有效數據E→PCBZCM,D00M11rdD2當CY=1或ZI=1時，有效數據E→PCINrd010001rd無1INPUT設備的數據→RDOUTrd010110rd無1RD→OUTPUTUNITHALT01100000無1停機四、設計環境1、ZY15Comp12BB計算機組成原理教學實驗系統一臺2、排線若干3、PC機一臺五、設計原理復雜模型機的數據通路框圖如圖1。根據機器指令系統要求，設計微程序流程圖及確定微地址。圖1復雜模型機數據通路框圖按照系統建議的微指令格式，參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，并將二進制代碼表轉換為聯機操作時的十六進制格式文件。微程序控制信號A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC六、設計步驟1、根據復雜模型機的指令系統，編寫實驗程序。實驗例程如下：本實驗完全使用寄存器操作。程序首先從數據輸入開關采集數據放入R0中，經循環左移兩次放入R1中。然后再次從數據輸入開關采集數據放入R0中，經循環右移一次與R1中的數據相加，其結果送到R1中，然后判斷加法的結果是否有進位或為全零，若是就循環運行，否則，輸出結果到數碼管上顯示。實驗的機器指令程序如下：地址內容 助記符 說明0044INR0；INPUT數據R0，第一次采集數據（設輸入數據為14H）01 F0 RLCR0,R0 ；R0帶進位左循環移位一次02 F1 RLCR0,R1 ；第二次左移后保存到R1中0344INR0；輸入開關數據R0，第二次采集數據（設輸入數據仍為14H）04 E0 RRCR0,R0 ；R0帶進位右循環移位一次05 91 ADCR0,R1 ；兩數據相加06 0C BZC00 ；若有進位或結果為零，則跳到00地址單元07000859 OUTR1 ；R1OUTPUTUNIT顯示；09 60 HALT ；停機以上程序的機器指令如下：$P0044$P01F0$P02F1$P0344$P04E0$P0591$P060C$P0700$P0859$P0960微程序$M00018108$M0101ED82$M0200C050$M0300A004$M0400E0A0$M0500E006$M0600A007$M0700E0A0$M0801ED8A$M0901ED8C$M0A00A03B$M0B018001$M0C00203C$M0D00A00E$M0E01B60F$M0F95EA25$M1001ED83$M1101ED85$M1201ED8D$M1301EDA6$M14001001$M15030401$M16018016$M173D9A01$M18019201$M1901A22A$M1A01B22C$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401$M2205DB81$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AAA0$M2A01B42B$M2B959B41$M2C01A42D$M2D05AB6E$M2E0DAA2F$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A$M3A019801$M3B070A08$M3C068A092、按圖2-9連接實驗線路，仔細檢查線路無誤后接通電源。（圖中箭頭表示需要接線的地方，接總線和控制信號時要注意高低位一一對應，可用彩排線的顏色來進行區分）圖2-9復雜模型機實驗3、寫程序對于本實驗箱可以用兩種方法來寫入程序。方法一：聯機讀/寫程序按照規定格式，將機器指令及微指令編輯成十六進制的規定格式文件，已經在前面列出。使用聯機軟件的文件裝載將實驗程序和微程序下載到實驗箱中，并用軟件的讀出功能進行檢查。本實驗參考程序對應的文件名為“復雜模型機.TXT”（聯機軟件的使用方法參看附錄2）。方法二：手動寫入（1）先將機器指令對應的微代碼正確地寫入28C16中，可以參照實驗1.7微程序控制器的組成與微程序設計實驗中微代碼的寫入方法，將本實驗對應的微代碼寫入E2PR0M芯片中，對照前面的微程序內容校驗正確后就可使用。（2）使用控制臺WRITE和READ微程序進行機器指令程序的手動裝入和檢查，其操作如下：A、使SIGNALUNIT單元的SP03為“STEP”狀態，SP04為“RUN”狀態，CONTROLUNIT的開關SP05處于“NORM”狀態，開關SP06處于“RUN”狀態。B、撥動SWITCH單元的總清開關CLR（101），微地址寄存器清零，程序計數器清零。然后使SWITCH單元的SWB、SWA開關設置為“01”，按動一次CONTROLUNIT的觸動開關START，微地址顯示燈顯示“001001”，再按動一次START，微地址燈顯示“001100”，此時數據開關的內容置為要寫入的機器指令，按動兩次START鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀WRITE的流程，就不難發現，機器指令的首地址總清后為零，以后每個循環PC會自動加1。所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示“001100”時，才設置內容，直到所有機器指令寫完。C、校驗。撥動SWITCH單元的總清開關CLR（101），微地址清零。PC程序計數器清零，然后使SWITCH單元的開關SWB、SWA為“00”，按動CONTROLUNIT的觸動開關START，微地址燈將顯示“001000”，再按START，微地址燈顯示為“001010”，第三次按START，微地址燈顯示為“111011”，再按START后，此時OUTPUT單元的數碼管顯示為該首地址中的內容。不斷按動START，以后每個循環PC會自動加1，可檢查后續單元內容。每次在微地址燈顯示為“001000”時，是將當前地址中的機器指令寫入到輸出設備中顯示。4、運行程序方法一：聯機運行程序首先使各個開關的狀態為：SIGNALUNIT中的SP03開關設置為“STEP”狀態。SP04開關設置為“RUN”狀態；CONTROLUNIT的開關SP05處于“NORM”狀態，SP06處于“RUN”狀態；SWITCH單元的開關SWB、SWA為“11”。使SWITCH單元的總清開關CLR（101）清零后，程序首址為00H。通過聯機軟件進入調試界面（其操作方法參見附錄2系統聯機操作軟件說明），可以通過調試程序的操作界面控制程序的運行，同時觀察運行過程和結果。方法二：手動運行程序（1）單步運行程序A、使CONTROLUNIT的開關SP05處于“NORM”狀態，SP06處于“RUN”狀態，SIGNALUNIT中的SP03為“STEP”狀態，SP04為“RUN”狀態，SWITCH單元的開關SWB、SWA為“11”。B、撥動SWITCH單元的總清開關CLR（101），微地址清零，程序計數器清零，程序首址為00H。C、單步運行微指令，每按動一次CONTROLUNIT的START觸動開關，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖2-8，觀察微地址顯示燈MA5-MA0是否和流程一致。D、當運行結束后，可檢查運行結果是否和理論值一致。如果運行結果保存在RAM的某一個單元中，則可以使用手動寫入中的校驗方法將其讀出。（2）連續運行程序A、使CONTROLUNIT的開關SP05處于“NORM”狀態，SP06處于“RUN”狀態，SIGNALUNIT中的SP03為“RUN”狀態，SP04為“RUN”狀態，SWITCH單元的開關SWB、SWA為“11”。B、撥動SWITCH單元的總清開關CLR（101），微地址及程序計數器清零，然后按動CONTROLUNIT的START觸動開關，系統連續運行程序，稍后將SIGNALUNIT中的SP04撥至“STOP”時，系統停機。C、停機后，可檢查運行結果是否正確。如果運行結果保存在RAM的某一個單元中，則可以使用手動寫入中的校驗方法將其讀出。七、設計思考題1、微程序控制器的設計步驟是什么？（1）設計微程序

確定微程序流程圖，也就是控制算法流程圖。

（2）確定微指令格式

微指令格式中的操作控制字段取決于執行部件的子系統需要多少微指令。假定采用直接控制方式，執行部件需要15個微命令，則操作控制字段需要15位。測試判別字段取決于微程序流程圖中有多少處分支轉移。假定有3處分支，則測試判別字段需要3位。下址字段取決于微程序流程圖的規模。假定微程序共用50條微指令，則下址字段至少需要6位。這是因為ROM地址譯碼時，26=64，6位地址可容納64條微指令。

將微程序編譯成二進制代碼

微程序寫入控制存儲器

設計硬件電路2、微程序的工作原理是什么？依據讀來的機器指令的操作碼找到與之對應的一段微程序的入口地址，并按由指令具體功能所確定的次序，逐條從控制存儲器中讀出微指令，以“驅動”計算機各功能部件正確運行。

八、設計報告將實驗中觀察到數據列表記錄；地址運行結果000000000000011000000100001000000001000000011110110110000010001010000000001010000000111011010010000000011110110110001101010101000000110000010000000001000110000