計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)2

1、課程設(shè)計(jì)說明書題目: 計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì) 院 系： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： * 學(xué) 號(hào)： * 學(xué)生姓名： * 指導(dǎo)教師： * 2011年 6月 29 日課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程 院系 計(jì)算機(jī)硬件 教研室學(xué) 號(hào)*學(xué)生姓名*專業(yè)（班級(jí)）*設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)，排線若干；pc機(jī)一臺(tái)*dj-cpt816組成原理實(shí)驗(yàn)軟件模型機(jī)的指令系統(tǒng)，微程序，微指令，程序通過cpth計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求1.在基本模型機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)in，lda，out，jmp，add，sub等6條指令的功能。2.設(shè)計(jì)相應(yīng)的

2、微程序。3. 在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)。工作量 論文不少于15頁(yè)，附帶必要的圖表工作計(jì)劃學(xué)習(xí)微程序控制器，了解實(shí)驗(yàn)箱中的各部分結(jié)構(gòu)。分析題目，查閱資料，畫出流程圖，設(shè)計(jì)出微指令。按實(shí)驗(yàn)要求連線，編寫程序在實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行。寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考資料1 陳書開，王毅.計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu).武漢：武漢大學(xué)出版社，20052 張功萱.計(jì)算機(jī)組成原理.北京：清華大學(xué)出版社，2005年09月3 王誠(chéng).計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.北京：清華大學(xué)出版社，20024 楊小龍.計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教程.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20045 袁開榜.計(jì)算機(jī)組成原理.北京：高等教育出版社，1995指導(dǎo)教師簽字教

3、研室主任簽字 2011年 6月 29 日 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表目錄1系統(tǒng)分析11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 設(shè)計(jì)的原理31.3模型機(jī)的邏輯框圖32指令系統(tǒng)及其指令格式42.1指令系統(tǒng)42.2 指令的格式53微程序的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的方法63.1微程序入口地址的形成73.2微指令格式的設(shè)計(jì)83.3后續(xù)微地址的產(chǎn)生方法83.3程序執(zhí)行流程94程序的實(shí)現(xiàn)104.1源程序,程序的指令代碼及微程序104.2 程序的指令代碼104.3 微程序104.4 程序調(diào)試11總結(jié)13參考文獻(xiàn)14摘要在飛速發(fā)展的科技社會(huì)中，計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到各行各業(yè)，各個(gè)領(lǐng)域中。人們漸漸地步入自

4、動(dòng)化、智能化的生活階段。本次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課題是基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用cpu與簡(jiǎn)單模型機(jī)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理課程及實(shí)驗(yàn)中所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和編程思想，硬件設(shè)備自擬，編寫指令的應(yīng)用程序，用微程序控制器實(shí)現(xiàn)了一系列的指令功能，最終達(dá)到將理論與實(shí)踐相聯(lián)系。本次設(shè)計(jì)完成了各指令的格式以及編碼的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)器指令微代碼，設(shè)計(jì)基本模型機(jī)的指令系統(tǒng)（包括邏輯與，邏輯或，算術(shù)加，減運(yùn)算，輸入，輸出，轉(zhuǎn)移，傳送指令），形成具有一定功能的完整的應(yīng)用程序。簡(jiǎn)言之，這次設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，cpu從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來

5、完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一條微程序，一條微程序又有若干微指令組成，一條微指令的功能由24位操作信號(hào)（即控制位）實(shí)現(xiàn)。這一課題的實(shí)現(xiàn)不僅使我們對(duì)各種微指令有了熟練的掌握，更對(duì)有關(guān)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：指令系統(tǒng)，微指令，機(jī)器指令，加減運(yùn)算1.系統(tǒng)分析1.1 設(shè)計(jì)背景通過計(jì)算機(jī)組成原理理論課和幾次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，嘗試設(shè)計(jì)八類機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，完成由基本單元電路構(gòu)成一臺(tái)基本模型機(jī)，再經(jīng)過調(diào)試指令和模型機(jī)使其在微程序的控制下自動(dòng)產(chǎn)生各部件單元的正常工作控制信號(hào)。本課程設(shè)計(jì)的模型機(jī)的指令碼為8位，根據(jù)指令類型的不同，可以有0到2個(gè)操作數(shù)，指令碼的最低兩位用來選擇r0-r3寄存器。在微程序

6、控制方式下，用指令碼作為微地址來尋址微程序存儲(chǔ)器，找到執(zhí)行該指令的微程序。在本模型機(jī)中，一條指令最多分為四個(gè)狀態(tài)周期，一個(gè)狀態(tài)周期為一個(gè)時(shí)鐘脈沖，每個(gè)狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)模型機(jī)的各種功能。模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入輸出，選擇運(yùn)算器的運(yùn)算功能，存儲(chǔ)器的讀寫。簡(jiǎn)言之，這次設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，cpu從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一條微程序，一條微程序又有若干微指令組成，一條微指令的功能由24位操作信號(hào)（即控制位）實(shí)現(xiàn)。24位控制位分別介紹如下： xrd：外部設(shè)備讀信號(hào)，當(dāng)給出

7、個(gè)外設(shè)的地址后，輸出此信號(hào)，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。 emwr：程序存儲(chǔ)器em寫信號(hào) emrd：程序存儲(chǔ)器em讀信號(hào) pcoe：將程序計(jì)數(shù)器pc的值送到地址總線abus上emen：將程序存儲(chǔ)器em與數(shù)據(jù)總線dbus接通，有emwr和emrd決定是將dbus數(shù)據(jù)寫入em中，還是從em讀出數(shù)據(jù)到dbusiren：將程序存儲(chǔ)器em獨(dú)處的數(shù)據(jù)打入指令寄存器ir和微指令計(jì)數(shù)器upceint：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志，便于下次中斷。elp：pc打入允許，與指令寄存器的ir2.，ir3位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。maren：將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)打入地址寄存器marmaroe：將地址寄存器mar的值送到地

8、址總線abus上outen：將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器out里sten：將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)存到堆棧寄存器里rrd：讀寄存器組r0-r3，寄存器r？的選擇由指令的最低兩位決定rwr：寫寄存器組r0-r3，寄存器r？的選擇由指令的最低兩位決定cn：決定運(yùn)算器是否帶進(jìn)位移位，cn=1帶進(jìn)位，cn=0不帶進(jìn)位fen：將標(biāo)志位存入alu內(nèi)部的標(biāo)志寄存器x2，x1，x0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到dbus上的哪個(gè)寄存器，見表1wen：將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入工作寄存器w中aen：將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入累加器a中s2,s1,s0三位組合決定alu做何種運(yùn)算，見表2表1x2 x1

9、x0輸出寄存器0 0 0in_oe 外部輸入門0 0 1ia_oe 中斷向量0 1 0st_oe 堆棧寄存器0 1 1pc_oe pc寄存器1 0 0d_oe 直通門1 0 1r_oe 右移門1 1 0l_oe 左移門1 1 1沒有輸出表2s2 s1 s0功能0 0 0a+w 加0 0 1a-w 減0 1 0a|w 或0 1 1a & w 與1 0 0a+w+c 帶進(jìn)位加1 0 1a-w-c 帶進(jìn)位減1 1 0a a取反1 1 1a 輸出a1.2設(shè)計(jì)的原理計(jì)算機(jī)中cpu是核心，它是通過指令和微指令的執(zhí)行來工作的。指令是計(jì)算機(jī)要完成的某一項(xiàng)功能。它對(duì)應(yīng)到執(zhí)行的過程中是一段微程序。一段微程序含多條

10、為指令，而一條微指令又含多個(gè)微命令。一個(gè)微命令驅(qū)動(dòng)某個(gè)硬件部件執(zhí)行某種操作。通過這樣一個(gè)關(guān)系，從而達(dá)到由計(jì)算機(jī)指令來驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)各個(gè)硬部件的協(xié)調(diào)工作以實(shí)現(xiàn)一條指令的執(zhí)行。在各個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)中，個(gè)模塊的控制信號(hào)都是有實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)模擬產(chǎn)生的。而在真正的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，模型機(jī)的運(yùn)行是在微程序的控制下進(jìn)行的，可實(shí)現(xiàn)特定的指令功能。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，模型機(jī)從內(nèi)存中取出、解釋、執(zhí)行機(jī)器指令都將由微指令和與之配合的時(shí)序來完成，即一條機(jī)器指令由對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。1.3.模型機(jī)的邏輯框圖簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)是由算術(shù)邏輯單元、微程序單元、堆棧寄存器單元、累加器，啟停、時(shí)序單元、總線和存儲(chǔ)器單元組成。在模型機(jī)中，我們將要實(shí)現(xiàn)ram的讀

11、寫指令，寄存器的讀寫指令，跳轉(zhuǎn)指令，alu的加、減、與、或指令。把通用寄存器作為累加器a，進(jìn)行左、右移等指令，整體構(gòu)成一個(gè)單累加器多寄存器的系統(tǒng)。運(yùn)算器由2片74l181構(gòu)成8位字長(zhǎng)的alu單元。2片74ls374作為2個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器（dr1、dr2），8芯插座alu-in作為數(shù)據(jù)輸入端，可通過短8芯扁平電纜，把數(shù)據(jù)輸入端連接到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)輸入鎖存器dr1的edr1為低電平，并且d1ck有上升沿時(shí)，那來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入鎖存器dr1。同樣使edr2為低電平、d2ck有上升沿時(shí)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)鎖存器dr2。整機(jī)的邏輯框圖如下：2.指令系統(tǒng)及其指令格式2.1指令系統(tǒng) mov a ,

12、#10 ; /將立即數(shù)10傳送到累加器a中mov r0, #20 ; /將立即數(shù)20傳送到寄存器r0中 add a, r0 ; /將累加器a和寄存器r0中的內(nèi)容相加，結(jié)果送入累加器a中mov r1, #10 ; /將立即數(shù)10傳送到寄存器r1中sub a, r1 ; /將累加器a中的內(nèi)容減去寄存器r1中的內(nèi)容，結(jié)果送入累加器a；sta 10 ; /a-ramhalt ; /停機(jī)2.2指令格式一般指令由操作碼和操作碼組成，如下所示：操作碼地址碼 計(jì)算機(jī)操作數(shù)尋址方式及其編碼的格式如下：1、 直接尋址方式：如雙字節(jié)指令sta addr (a)-addr第1字節(jié) i7i6i5i4i3i2i1i0 操

13、作碼 第2字節(jié)a7a6a5a4a3a2a1 操作地址addr2、 寄存器直接尋址：指令字節(jié)中含有寄存器選擇碼，決定選哪個(gè)寄存器進(jìn)行操作。如：?jiǎn)巫止?jié)指令mov a,rj (ri)-amov指令采用單字節(jié)指令，其格式如下： 單字節(jié)i7i6i5i4i3i2i1i0 操作碼與ri選擇碼如：雙字節(jié)指令mov ri, #data data-ri第1字節(jié) i7i6i5i4i3i2i1i0 操作碼及ri選擇碼 第2字節(jié)d7d6d5d4d3d2d1d0 data 3、寄存器間接尋址 如：?jiǎn)巫止?jié)指令： mov a,ri (ri)-a ri選擇碼i7 i6i5i4i3i2i1i0 操作碼4、立即數(shù)尋址如：mov a

14、, #data data-amov ri, #data data-ri 第1字節(jié)i7i6i5i4i3i2i1i0 操作碼及ri選擇碼 第2字節(jié)d7d6d5d4d3d2d1d0 data3.微程序的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的方法3.1 微程序入口地址的形成在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)是采用的24位微指令，若微指令采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的格式，那么至多可有24個(gè)微操作控制信號(hào)，可由微代碼直接實(shí)現(xiàn)。若采用多組編碼譯碼，那么24位的微代碼通過二進(jìn)制譯碼可實(shí)現(xiàn)2n個(gè)互斥的微操作控制信號(hào)。由于模型機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模較小，功能也不太復(fù)雜，所以采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的微指令格式。在模型機(jī)中，用指令操作碼的高4位作為核心擴(kuò)展成8

15、位的微程序入口地址md0-md7。這種方法稱為“按操作碼散轉(zhuǎn)”（如下表所示）。微程序首地址形成md7md6md5md4md3md2md1md0001716151411按操作碼散轉(zhuǎn)指令操作碼微程序首地址md7、md6i7i6i5i4md1、md0md7md0000001003h000011007h00010100bh00011100fh001001013h001011017h00110101bh00111101fh010001023h010011027h01010102bh01011102fh011001033h011011037h01110103bh01111103fh此次實(shí)驗(yàn)程序中的微程序指

16、令如下表：指令助記符微地址有效值微指令十六進(jìn)制編碼mov a，ri0fh10h11h12hff7bff4dffffmov ri，a13h14h15h16h7fbdff4dffffmov a，#data17h18h19h1ahddfbff4dffffsta addr23h24h25h26hd5ffffbbfdff4dffffhalt3fhffdfff3.2微指令格式的設(shè)計(jì)一條微指令的一般格式是如下圖：判別測(cè)試下地址操作控制順序控制3.3后續(xù)微地址的產(chǎn)生方法由于本系統(tǒng)中指令系統(tǒng)規(guī)模不大，功能較簡(jiǎn)單，微指令采用全水平、不編碼的方式，每一個(gè)微操作控制信號(hào)由一位微代碼來表示，24位微代碼至少可表示24個(gè)

17、不同的微操作控制信號(hào)。用增量方式來控制微代碼的運(yùn)行順序，每一條指令的微程序連續(xù)存放在微指令存儲(chǔ)器連續(xù)的單元中。在本系統(tǒng)內(nèi)，mld為置微地址的控制信號(hào)，mck為工作脈沖。當(dāng)mld=0、mck有上沿時(shí)，把md0md7的值作為微程序的地址，打入微地址寄存器。當(dāng)mld=1、mck有上升沿時(shí)，微地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。 由于模型機(jī)已經(jīng)確定了指令系統(tǒng)，微指令采用全水平不編碼純控制場(chǎng)的格式，微程序的入口地址采用操作碼散轉(zhuǎn)方式，微地址采用計(jì)數(shù)增量方式，所以可確定模型機(jī)中時(shí)序單元中所產(chǎn)生的每一拍的作用。為了更好地觀察實(shí)驗(yàn)的各個(gè)中間過程中各寄存器的值，由監(jiān)控單元產(chǎn)生一個(gè)pls-o的信號(hào)來控制時(shí)序產(chǎn)生。pls-o信號(hào)經(jīng)

18、過時(shí)序單元的處理產(chǎn)生了4個(gè)脈沖信號(hào)。4個(gè)脈沖信號(hào)組成一個(gè)微周期，為不同的寄存器提供工作脈沖。 pls1： 微地址寄存器的工作脈沖，用來設(shè)置微程序的首地址及微地址加1。pls2： pc計(jì)數(shù)器的工作脈沖，根據(jù)微指令的控制實(shí)現(xiàn)pc計(jì)數(shù)器加1和重置pc計(jì)數(shù)器（如跳轉(zhuǎn)指令）等功能。pls3： 把24位微指令打入3片微指令鎖存器pls4： 把當(dāng)前總線上的數(shù)據(jù)打入微指令選通的寄存器3.4此次實(shí)驗(yàn)每條指令的執(zhí)行流程如下:周期微操作指令助記符t0t1t2t3取指微指令pc-bus-ramram-bus-ir1 mov a，#10bus-aram-bus-ir1ram-bus-ir1 mov r0，#20ram-

19、r0ram-bus-ir1 add a, r0a-鎖存器dr1r0-鎖存器dr2alu-aram-bus-ir1mov r1,#10ram-r1ram-bus-ir1sub a,r1a-鎖存器dr1r1-鎖存器dr2alu-aram-bus-ir1sta 10rambusir2a-ram(10h)ram-bus-ir1 halt置模型機(jī)為停機(jī)狀態(tài) 4. 源程序,程序的指令代碼及微程序 4.1源程序mov a，#10mov r0，#20add a，r0mov r1，#10sub a，r1mov r1，asta 10halt4.2程序的指令代碼內(nèi)存地址指令助記符指令碼或立即數(shù)說明00hmov a,

20、#105fh立即數(shù) 10h-a01h10h02hmov r0,#206ch立即數(shù) 20h-寄存器r003h20h04hadd a,r00cha內(nèi)容+r0內(nèi)容-a05hmov r1,#106dh立即數(shù)10h-寄存器r106h10h07hsub a,r11dha內(nèi)容-r1內(nèi)容-a08hsta 108fh將a內(nèi)容寫入ram地址10h09h10h0ahhaltffh停機(jī)4.3微程序mov a，#10: 00004d,ff,ff 取指指令 0017dd,fb,ff dbusa mov r0，20 00364d,fe,ff 取指指令 0013ff,bd,ff adbusriadd a，r0: 001c4d

21、,ff,ff 取指指令 0037fffcfb adbusdr1 0038ddff7b ramdbusdr2 0039fffbbb aluamov r1，10: 003a4dffff 取指指令 0013ffbdff adbusrisub a,r1: 001c4d,ff,ff 取指指令 0037fffcfb adbusdr1 0038ddff7b ramdbusdr2 0039fffbbb aluasta 10 : 00144dffff 取指指令 0023d5ffff dbusir2 0024bbfdff ir2dbus; adbusramhalt : 00254dffff 取指指令 0003ff

22、fdfff 停機(jī)4.4程序的運(yùn)行調(diào)試首先啟動(dòng)hkcpt軟件,打開主窗口.在代碼窗口輸入?yún)R編源程序,然后單步運(yùn)行,微單步運(yùn)行過程如下表格所示:微地址數(shù)據(jù)流程數(shù)據(jù)總線地址總線操作寄存器00h取指令ram-bus-ir15fh00hir1=5fhmov a,#5517hbus-a55h01ha=55h18h取指微指令ram-bus-ir16ch02hir1=6chmov r0, #661bh66h03h寄存器r0=66h1ch0ch04hir1=0chadd a, r003h55h無效dr1=55h04h66h無效dr2=66h05hbbh無效a=bbh06h6dh05hir1=6dhmov r1,

23、 #331bh33h06h寄存器r1=33h1ch1dh07hir1=1dhsub a, r107hbbh無效dr1=1dh08h33h無效dr2=33h09h88h無效a=88h0ah8fh08hir1=8fhsta 1023h10h09hir2=10h24h88h10hram(10)=88h25hffh0ahir1=ffhhalt3fh無效無效置停止?fàn)顟B(tài)4.總結(jié)4.1 設(shè)計(jì)體會(huì)通過近一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，結(jié)果設(shè)計(jì)出來了這么一個(gè)看似很一般的指令系統(tǒng)。但是我感覺從中還是學(xué)習(xí)到了不少東西。把以前從書本上學(xué)習(xí)到的東西完全應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。一開始在書上看到的一些什么指令系統(tǒng)、微指令等等東西的時(shí)候不知所云，因?yàn)樗鼈兌际怯?jì)算機(jī)能夠識(shí)別的，對(duì)我來說就很難認(rèn)識(shí)了；而且它們聽上去又很抽象，感覺跟人的思維完全不同，又不能從形象