計算機組成原理課程設(shè)計報告基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)

1、長 沙 學 院課程設(shè)計說明書題 目 基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn) 系 (部) 計算機科學與技術(shù) 專業(yè)(班級) 08級計科、數(shù)據(jù)庫三班 姓 名 學 號 指導教師 起止日期 2010年12月272011年1月5日課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：計算機組成原理設(shè)計題目：（共3個課題，最多3人一組，每組任選一題）1.基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)；2.帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)；3.復雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求：內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)：利用所學過的理論知識，特別是微程序設(shè)計的思想，寫出要設(shè)計的指令系統(tǒng)的微程序。設(shè)計環(huán)境為tdncm計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)，微機，虛擬軟件。將所設(shè)計的微程序在此環(huán)境中進行調(diào)試，并

2、給出測試思路和具體程序段。最后撰寫出符合要求的課程設(shè)計說明書、完成答辯。1.基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)指令系統(tǒng)至少要包括六條不同類型指令：如一條輸入指令，一條減法指令,一條加法指令，一條存數(shù)指令，一條輸出指令和一條無條件轉(zhuǎn)移指令。2. 帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)在基本模型機的基礎(chǔ)上增加左、右循環(huán)和左、右?guī)нM位循環(huán)四條指令3. 設(shè)計不少于10條指令的指令系統(tǒng)。其中，包含算術(shù)邏輯指令，訪問內(nèi)存指令，程序控制指令，輸入輸出指令，停機指令。重點是要包括直接、間接、變址和相對尋址等多種尋址方式。以上數(shù)據(jù)字長為8位，采用定點補碼表示。指令字長為8的整數(shù)倍。微指令字長為24位。具體要求：1、確定設(shè)計目標確定所

3、設(shè)計計算機的功能和用途。2、確定指令系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的表示格式、位數(shù)、指令的編碼、類型、需要設(shè)計哪些指令及使用的尋址方式。確定相對應(yīng)指令所包含的微操作。3、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括確定各部件設(shè)置以及它們之間的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，就可以擬出各種信息傳輸路徑，以及實現(xiàn)這些傳輸所需要的微命令。綜合考慮計算機的速率、性能價格比、可靠性等要求，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，確定采用何種方案的內(nèi)總線及外總線。數(shù)據(jù)通路不同，執(zhí)行指令所需要的操作就不同，計算機的結(jié)構(gòu)也就不一樣。4、設(shè)計指令執(zhí)行流程數(shù)據(jù)通路確定后，就可以設(shè)計指令系統(tǒng)中每條指令所需要的機器周期數(shù)。對于微程序控制的計算機，根據(jù)總線結(jié)構(gòu)，需考慮

4、哪些微操作可以安排在同一條微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。5、確定微程序地址根據(jù)后續(xù)微地址的形成方法，確定每個微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。6、微指令代碼化根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進制代碼寫入到控制存儲器中的相應(yīng)單元中。7、組裝、調(diào)試在總調(diào)試前，先按功能模塊進行組裝和分調(diào)，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的正常運行。當所有功能模塊都調(diào)試正常后，進入總調(diào)試。連接所有模塊，用單步微指令方式執(zhí)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(jié)果正確，則在內(nèi)存中裝入一段機器指令，進行其他的運行方式等功能調(diào)試及執(zhí)行指令的正確性驗證。

5、課程設(shè)計說明書要求：課程設(shè)計說明書按學校統(tǒng)一格式撰寫和裝訂。課程設(shè)計報告要求打印,其中的數(shù)據(jù)通路框圖、微程序流程圖、實驗接線圖用visio等工具軟件繪制或用鉛筆工工整整繪制。（1）封面（包括：題目、所在系、班級、學號、指導教師及時間等項，可到教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）（2）任務(wù)書（3）目錄目錄要層次清晰，要給出標題及頁次，目錄的最后一項是無序號的“參考文獻”。（4）正文正文應(yīng)按目錄中編排的章節(jié)依次撰寫，要求計算正確，論述清楚，文字簡練通順，插圖清晰，書寫整潔。文中圖、表及公式應(yīng)規(guī)范地繪制和書寫。正文是實踐設(shè)計報告的主體，具體由以下幾部分組成：1）課程設(shè)計題目；2）課程設(shè)計使用的實驗設(shè)備；3）課程設(shè)計步

6、驟（包括確定所設(shè)計計算機的功能和用途、指令系統(tǒng)、總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路、設(shè)計指令執(zhí)行流程、確定微程序地址、微指令代碼化、組裝、調(diào)試。）4）課程設(shè)計總結(jié)（包括自己的收獲與體會；遇到的問題和解決的方法等）；（5）附錄附錄1：數(shù)據(jù)通路圖附錄2：微程序流程圖附錄3：實驗接線圖附錄4：實驗程序及微程序附錄5：參考文獻（資料）(格式規(guī)范參照長沙學院畢業(yè)設(shè)計(論文)撰寫規(guī)范)設(shè)計工作量：(1)作品：設(shè)計的最終作品包括硬件和軟件兩個部分，要求能夠演示并達到設(shè)計指標的要求。每個學生（或小組）在作品完成后，要經(jīng)指導教師檢查，同意拆除后方可拆卸。(2)論文：嚴格按上述課程設(shè)計說明書的要求撰寫和裝訂。每個學生一份。成績評

7、定標準：課程設(shè)計的成績分為：優(yōu)秀：、良好、中等、及格、不及格五個等級。優(yōu)秀：完成復雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，指令系統(tǒng)完備有更新擴充。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。良好：完成模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，指令系統(tǒng)指令種類豐富有一定的更新。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。中等：完成基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)，在老師指導下對指令系統(tǒng)有更新。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。及格：完成基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。調(diào)試成功。文檔規(guī)范齊全。不及格：沒有課程設(shè)計報告，無故缺勤，不能完成調(diào)試者不及格。工作計劃：時間：15、16周講授：2課時答疑及設(shè)計：22課時上機調(diào)試：12課時答辯：4課時指導教師簽名：日期：2010-12-10教研室主任簽名： 日期：系

8、主任簽名： 日期：長沙學院課程設(shè)計鑒定表姓名周子照學號2008021406專業(yè)計算機科學與技術(shù)班級08數(shù)據(jù)庫三班設(shè)計題目基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)指導教師李南櫻指導教師意見：評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五類；摘要本次課程設(shè)計的任務(wù)是完成一個基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)。設(shè)計經(jīng)過綜合運用了以前所學計算機原理的知識,依照設(shè)計要求和指導,實現(xiàn)了一個基本的模型計算機。本模型機實現(xiàn)的功能有：in（輸入）,out（輸出），add（

9、加法），sub（減法），sta（存數(shù)），jmp（跳轉(zhuǎn)）。設(shè)計進行開始,在了解微程序的基本格式, 及各個字段值的作用后, 按微指令格式參照指令流程圖，設(shè)計出程序以及微程序，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，并將二進制代碼轉(zhuǎn)換為聯(lián)機操作時的十六進制格式文件。根據(jù)機器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定微地址。設(shè)計的加法和減法中, 被加數(shù)和被減數(shù)都由調(diào)試人員輸入, 而加數(shù)和減數(shù)都從存儲器中讀取. 最后上機調(diào)試，各個功能運行結(jié)果正確。關(guān)鍵詞: 基本模型機；機器指令；微指令目錄1、課程設(shè)計題目-12、實驗設(shè)備-13、課程設(shè)計步驟-13.1、所設(shè)計計算機的功能和用途-13.2、指令系統(tǒng)-23.3、總體

10、結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路-23.4、設(shè)計指令執(zhí)行流程-33.5、微指令代碼化-43.6、組裝和調(diào)試-54、課程設(shè)計總結(jié)-75、附錄-8附錄1：數(shù)據(jù)通路圖-8附錄2：微程序流程圖-9附錄3：實驗接線圖-10附錄4：實驗程序及微程序-11 附錄5：參考文獻（資料）-121、 課程設(shè)計題目基本模型機的設(shè)計與實現(xiàn)2、 實驗設(shè)備tdncm+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，微機，虛擬軟件，排線若干。3、 實驗步驟3.1 所設(shè)計計算機的功能和用途設(shè)計的基本模型機的指令系統(tǒng)至少要包括六條不同類型的指令：一條輸入指令，一條減法指令,一條加法指令，一條存數(shù)指令，一條輸出指令和一條無條件轉(zhuǎn)移指令。利用此模型機完成加法和減法操

11、作。兩個操作都能讀入被加（減）數(shù)，從內(nèi)存中讀取加（減）數(shù)，運算后都能保存運算結(jié)果，并且都將結(jié)果輸出。3.2 指令系統(tǒng)本課程設(shè)計采用六條機器指令：in（輸入）,out（輸出），add（二進制加法），sub（減法），sta（存數(shù)），jmp（無條件轉(zhuǎn)移）。其指令格式及說明如下表：表1 指令系統(tǒng)編碼序號助記符機器指令碼功能說明1in00000000 input device中的開關(guān)狀態(tài)r02add addr00010000 *r0+addrr03sta addr00100000 *r0addr4out addr00110000 *addrdr1led5jmp addr01000000 *addrpc6

12、sub addr01010000 *r0-addrr0其中：in為單字長（8位），其余為雙字長指令，*為addr對應(yīng)的二進制地址碼。3.3 總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路總體結(jié)構(gòu)的設(shè)置如下：1、 寄存器的設(shè)置 r0、r1、r2為通用寄存器，8位；ir為指令寄存器，8位；pc為程序計數(shù)器，8位；ar為地址寄存器，8位；dr1、dr2為數(shù)據(jù)寄存器2、 運算器的設(shè)置 alu為運算器數(shù)據(jù)通路可見附錄1的數(shù)據(jù)通路圖。3.4 設(shè)計指令執(zhí)行流程本課程設(shè)計設(shè)計的機器指令程序如下表：表2 機器指令程序地址（二進制）內(nèi)容（二進制）助記符說明0000 00000000 0000in r0input devicer00000 0

13、0010001 0000add 10h,r0r0+10hr00000 00100001 00000000 00110010 0000sta r0,11hr011h0000 01000001 00010000 0101 0011 0000out 11h11hled0000 01100001 00010000 01110000 0000in r0input devicer00000 10000101 0000add 10h,r0r0-10hr00000 10010001 00000000 10100010 0000sta r0,12hr012h0000 1011 0001 00100000 110

14、00011 0000out 12h12hled0000 11010001 00100000 11100100 0000jmp 00h00hpc0000 11110000 00000001 00000000 0001自定0001 0010求和結(jié)果0001 0011求差結(jié)果3.5 微指令代碼化當全部微程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，下表即為“二進制微代碼表”。表3 基本模型機二進制微程序代碼表微地址s3 s2 s1 s0 m cn we a9 a8a bcua5ua0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0

15、0 1 11 1 01 1 01 1 0 0 0 0 0 1 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1 0 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0 0 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1 0 70 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00

16、0 00 1 1 0 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1 1 20 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1 1 30 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0 1 40 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0 1 50 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 1 0 1 0 1 6

17、0 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1 1 70 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1 2 00 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0 2 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0 2 20 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1 2 30 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1 2 40 0 0 0 0 0 0 0 00

18、 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1 2 60 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1 2 70 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0 3 00 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1 3 10 0 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1 3 20 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 00 0 00 0 0 0

19、 1 1 0 1 1 3 30 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 00 0 00 1 1 1 0 0 3 40 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 00 0 10 0 0 0 1 1 1 0 1 3 50 1 1 0 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 13.6 組裝和調(diào)試本設(shè)計采用的方法是聯(lián)機讀/寫程序。按照規(guī)定格式，將機器指令及微指令二進制表編輯成十六進制格式文件。打開電源，運行聯(lián)機軟件的cmp.exe，根據(jù)所使用的pc微機串口選擇鍵入1或2，測試通過后，進入主菜單，如下表：表4 聯(lián)機軟件主菜單f1_editf2_p/w prf3_r/

20、w crf4_loadf5_savef6_debugf7_wavef8_exit進入主菜單后，用傳送文件功能（f4_load）將該格式文件傳入實驗系統(tǒng)。此功能鍵可完成對程序存儲器及控制存儲器的寫入。按下“f4”，系統(tǒng)提示輸入需裝入的文件名，輸入后回車，系統(tǒng)開始裝入程序，成功后，屏幕顯示“裝入完成”。裝入的文件必須在當前路徑，文件格式應(yīng)符合全屏幕編輯的規(guī)定。若文件不在當前路徑，拷貝至當前目錄即可。運行程序單步運行程序a使編程開關(guān)處于“run”狀態(tài)，step為“step”狀態(tài)，stop為“run”狀態(tài)。b撥動總清開關(guān)clr（01），微地址清零，pc計數(shù)器清零，程序首地址為00h。c單步運行一條微指

21、令，每按動一次start鍵，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖，觀察微地址顯示燈是否和流程一致。d當運行結(jié)束后，可檢查存數(shù)單元（0b）中的結(jié)果是否和理論值一致。連續(xù)運行程序a使“state unit”中的step開關(guān)置于“exec”狀態(tài)，stop開關(guān)置為“run”狀態(tài)。b撥動clr開關(guān)，清微地址及pc計數(shù)器，按動start，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將stop撥至“stop”時，系統(tǒng)停機。c停機后，可檢查存數(shù)單元（0b）結(jié)果是否正確。若聯(lián)機運行程序時，按下“f6”進入調(diào)試界面進入debug調(diào)試界面，總清開關(guān)clr（01）清零后，程序首地址為00h，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機運行、調(diào)試程序。執(zhí)行完一條

22、指令后，計算機會根據(jù)指令的執(zhí)行過程在屏幕上畫出數(shù)據(jù)流圖，有效的控制信號用高亮顯示，并將下一條微指令顯示在屏幕下方，可以直接地觀察到指令的執(zhí)行過程。1：單步執(zhí)行機器指令。一條機器指令對應(yīng)一段微程序，每執(zhí)行一條微指令，計算機同時顯示數(shù)據(jù)流圖，執(zhí)行完整條機器指令后停機，此時可以再鍵入“f1”繼續(xù)單步下一條機器指令。2：單步微程序。每按動一次“f2”，單步執(zhí)行一條微指令，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。3：連續(xù)運行。按下“f3”后，系統(tǒng)開始連續(xù)運行程序，同時顯示數(shù)據(jù)流圖。此時按下任意鍵可終止程序運行。注意，按任意鍵有可能不會立即終止程序運行，只有當一條機器指令運行完后，此命令才有效。4：返回主菜單，按esc鍵也可完成。4、 課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計，在李老師的幫助和指導下，以及三個組員的積極配合，努力工作，有了一周時間基本實現(xiàn)了課程設(shè)計的基本要求和功能。通過緊張有序的幾天的課程設(shè)計實踐，不僅讓我們對基本模型機原理和微程序的編輯、寫入方法有了進一步的了解, 也讓我們覺得自己的動手能力有了很大的提高;在課程設(shè)計中自己思考解決遇到的問題，理論知識得到實際體驗，這鞏深化和鞏固了自己的知識結(jié)構(gòu)；組員之間緊密配合工作，更加理解了團隊合作精神。本設(shè)計的難點在于測試字位p(1)、p（4）的功能，只要理解了它是怎么實現(xiàn)程序的順序、分支、循環(huán)運行的，其它的步驟即可迎刃而解。通