課程設計報告課程名稱計算機組成原理課題名稱復雜模型計算機的設計〔一〕專業計算機科學與技術班級學號姓名指導教師陳華光、陳多2023年8月29日湖南工程學院課程設計任務書課程名稱課題復雜模型計算機的設計專業班級學生姓名學號指導老師陳華光、陳多審批陳華光任務書下達日期2023年8月29日任務完成日期2023年9月5日一、設計內容與設計要求1．設計內容模型機是由五個局部組成的計算機，通過它可以理解計算機整機的結構及功能，理解CPU、存儲器、中斷控制器、總線的結構及實現邏輯和各部件之間的接口關系。本次課程設計的主要內容是利用西安唐都公司的TDN-CM++的內部可編程資源，設計一個模型計算機。本課程設計的主要目的是通過部件級的模型機的設計和調試，使學生理解計算機由5局部組成，掌握計算機的工作過程，從“指令—微指令—微操作〞概念的理解，從而清晰地建立計算機的整機概念，并培養學生分析和解決實際問題的能力，同時增強學生的動手能力。2．設計要求：(1)借助于TDN-CM++的內部可編程資源，運算器單元，控制存儲器，微命令存放器，地址轉移邏輯，微地址存放器，控制時序信號單元，存放器組，總線，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。(2)復雜模型機的設計要求(參考P107-115)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、訪問及轉移指令和停機指令。設計9條算術邏輯指令并用單字節表示，尋址方式采用存放器直接尋址。設計2條訪內指令，即存數〔STA〕、取數〔LDA〕，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〕。設計2條I/O指令，輸入〔IN〕和輸出〔OUT〕指令采用單字節指令。設計停機指令1條用單字節表示。(3)調試的程序第一組地址〔H〕內容〔H〕助記符說明$P0044IN01R0INPUTdevice->R0$P0146IN01R2INPUTdevice->R2$P0298ADCR2R0R2+R0+CY->R0$P0381MOVR0R1R0->R1$P04F5RLCR1R1R1右移一位$P050CBZC000000->PC$P0600第二組地址〔H〕內容〔H〕助記符說明$P0045IN01R1INPUTdevice->R1$P0100LDA0000R0(20)->R0$P0220$P0386MOVR1R2R1->R2$P04A8SBCR2R0R2-R0-CY->R0$P05F5RLCR1R1R1右移一位$P060CBZC000000->PC$P0700第三組地址〔H〕內容〔H〕助記符說明$P0046IN01R2INPUTdevice->R2$P0184MOVR2R0R2->R0$P0244IN01R0INPUTdevice->R0$P0398ADCR2R0R2+R0+CY->R0$P04E2COMR2NOTR2->R0$P05D6STA000AR2R2->(0A)$P060A$P070CBZC000000->PC$P0800在規定的時間內以小組為單位完成相關的系統功能實現、數據測試和記錄并進行適當的分析。要求,同一小組的每個同學必須分析一條不同的機器指令的微程序的組成,說明組成該機器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號的組成)。要求修改一條微指令。(4)按本任務書的要求，編寫《課程設計報告》〔Word文檔格式〕。并用A4的復印紙打印并裝訂。(5)在規定的時間內，請各班學習委員收齊課程設計報告在星期五交陳華光老師。3．分組及安排分5組，學號除以5取余數，余數為0的同學做復雜模型機1、余數為1的同學做復雜模型機2，余數為2的同學做復雜模型機3，余數為3的同學做基于RISC的模型機，余數為4的做流水線模型機，每個組必須獨立完成指定的題目，每個同學按要求獨立完成課程設計報告。4．成績評定程序設計方案是否合理；程序設計是否正確；調試結果；設計說明書的質量上下；辯論時答復下列問題情況；課程設計周表現情況；總評成績記入“課程設計成績評分表〞。二、進度安排第1周-2周，具體安排如下：星期時間班級內容地點第1周18：00—11：50計算機0981任務安排E-5102接線E-5103調試E-510414：30—18：20計算機0981系統調試實現E-51058：00—11：50計算機0981接線E-510調試E-510系統調試實現E-510附：課程設計報告裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、評分表、附件〔A4大小的圖紙及程序清單〕。正文總字數要求在5000字以上〔不含源程序代碼〕。目錄一、課題的主要功能07 二、總體設計方案07 1、模型機的邏輯框圖07 2、用框圖語言表示模型機的指令執行流程07三、數據格式和尋址方式的設計091、數據格式092、模型機的尋址方式093、指令格式09四、指令和微程序的設計121、指令系統122、修改微指令12五、線路連接圖13六、微程序流程及說明221、微程序截圖流程142、修改后的機器指令223、源程序清單22七、課程設計的收獲及體會24八、參考資料24九、計算機科學與技術系課程設計評分表25一、課題的主要功能本課題設計的主要目的是通過部件級的模型機的設計和調試，使學生理解計算機由5局部組成，掌握計算機的工作過程，從“指令—微指令—微操作〞概念的理解，從而清晰地建立計算機的整機概念，并培養學生分析和解決實際問題的能力，同時增強學生的動手能力。二、總體設計方案(1)復雜模型機的邏輯框圖以控制器為中心，首控制器從指令存放器取得指令，編譯指令，再輸出微控制信號，控制ALU的運算，PC加一，并且從RAM中取出數據運算，運算后再把結果通過數據總線存到RAM，在指令存放器讀去下一條指令，依次循環。圖1復雜模型計算機邏輯框圖〔2〕用框圖語言表示模型機的指令執行流程圖2模型計算機邏輯框圖三、數據格式和尋址方式的設計〔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：７６５４３２１０符號尾數其中第7位為符號位，相對于十進制數值表示范圍是：－27X27－1。〔2〕模型機的尋址方式操作數的尋址就是尋找形成操作數在主存中的地址的方法。設指令格式如下：操作碼〔OP〕尋址特征形式地址操作碼〔OP〕尋址特征形式地址形式地址〔D〕：指令地址字段中給出的地址。有效地址〔EA〕：形式地址經過一定計算而得到的操作數的實際地址。常用尋址方式如下：(1)立即尋址：指令的地址字段指出的不是操作數的地址，而是操作數本身。即數據data=D。(2)直接尋址：操作數的地址直接在指令中給出，即操作數的有效地址為EA=D。(3)間接尋址：指令的形成地址D在主存相應單元中的內容是操作數的地址，即操作數的有效地址為EA=〔D〕。(4)存放器尋址：指令中給出的是存放器號R，操作數就是存放器中的內容，即data=〔R〕。(5)存放器間接尋址：指令中給出的是存放器號R，而操作數的地址就是存放器中的內容，即EA=〔R〕。〔3〕指令格式由于本模型機機器字長只有8位二進制長度，故使用單字長指令和雙字長指令。根據要求,設計該模型機能執行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1)算術邏輯運算指令9條算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表。注：有兩處錯誤1100rsrd1.AND為雙目操作，所以指令格式為1101rd2.COM中是對rd進行操作,所以指令格式算術邏輯運算指令用單字節表示，尋址方式采用存放器直接尋址，其格式如下：７６５４３２１０OP-CODErsrd其中，OP-CODE為操作碼，rs為源存放器，rd為目的存放器，并規定：Rs或rd選定的存放器000110R0R1R2(2)訪問指令及轉移指令模型機設計2條訪內指令，即存數〔STA〕、取數〔LDA〕，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：7654321000MOP-CODERDD其中，OP-CODE為操作碼，rd為目的存放器地址〔LDA、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00011011E=DE=〔D〕E=〔RI〕+DE=〔PC〕+D直接尋址間接尋址RI變址尋址相對尋址(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：其中，addr=01時，選中“INPUTDEVICE〞中的開關組作為輸入設備，addr=10時，選中“OUTPUTDEVICE〞中的數碼塊作為輸出設備。(4)停機指令指令格式如下：HALT指令，用于實現停機操作。四、指令和微程序的設計〔1〕指令系統本模型機共有16條根本指令，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X列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。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，表X即為將圖X微程序流程圖按微指令格式轉化而成的“二進制微代碼表〞。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，見下表X。242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCμA5μA5μA5μA5μA5μA5要求,同一小組的每個同學必須分析一條不同的機器指令的微程序的組成,說明組成該機器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號的組成)。〔2〕修改微指令確定要修改的機器指令，從指令系統能夠中找到該指令的指令格式，修改rs或者rd來修改機器指令。從微程序流程圖中找到條需要修改的機器指令，明白該條機器指令由幾條微指令組成，取需修改的微指令的序號，把序號先換成八進制，再換成十六進制；從源程序清單中找到換成的十六進制序號，取序號后面的六位數。把六位數中的前兩位數換成十六進制，在74LS181的邏輯功能表中看第一位數的十六進制〔即S3S2S1S0〕與微指令操作是否相符，以確認方法無誤。然后把需修改的微指令中的S3S2S1S0修改為想要的微指令的S3S2S1S0。把第2位數的十六進制的前2個〔即MCn〕進行修改。算術運算M=0，邏輯運算那么M=1.有進位Cn=0，無進位Cn=1.把修改后的結果寫入源程序中即可。五、線路連接圖注：有一處錯誤。在LOGUNIT模塊中沒有〔CYZI〕，應改為〔FCFZ〕六、微程序流程及說明要求,同一小組的每個同學必須截取不同的機器指令的微程序流程圖,主要是與四中分析的一致！微程序截圖流程1〕取指令，指令譯碼〔2〕把操作數送到R1中。〔3〕取指令，指令譯碼。〔4〕把操作數送到R2中。〔5〕取指令，指令譯碼。〔6〕把R2，R1的值送到運算器中并運算。〔7〕把運算結果送到R1中。〔8〕取指令，指令譯碼。〔9〕把R1中的值送到R0中。〔10〕取指令，指令譯碼。〔11〕把R0中的數送到299芯片中。〔12〕把299芯片中數據右移后的結果送到R0中。〔2〕修改后的機器指令第一組地址〔H〕內容〔H〕助記符說明$P0045IN01R1INPUTdevice->R1$P0146IN01R2INPUTdevice->R2$P0299XRLR2R1R2⊕R1->R1$P0384MOVR1R0R1->R0$P04F0RRCR0R0R0右移一位$P050CBZC000000->PC$P0600〔3〕源程序清單：$P0045$P0146$P0299$P0384$P04F0$P050C$P0600$M00018108$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$M2A01B42B$M2BBD9B41//此行由算術運算加法改成邏輯運算與$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32023A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A