計算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計報告具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計

1、* 學(xué) 院計算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計報告題目：具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計姓名：*學(xué)號：200*1系別：計算機(jī)學(xué)院專業(yè)班級：*班同組同學(xué)：*指導(dǎo)教師：*起止時間：2011.9.052011.9.09一、課程設(shè)計要求及目的1、設(shè)計要求：課程設(shè)計是將我們所學(xué)的課程的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。本課程設(shè)計我們所選的題目是具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計，我們要設(shè)計出具有邏輯運(yùn)算及跳轉(zhuǎn)功能的機(jī)器指令，再寫出指令對應(yīng)的微程序，然后按照復(fù)雜模型機(jī)的電路圖在實(shí)驗(yàn)箱上接線，然后與電腦聯(lián)機(jī)執(zhí)行，并觀察執(zhí)行過程和輸出結(jié)果。2、設(shè)計目的：（1）復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計，利用所學(xué)的計算機(jī)組成原理課程

2、中的知識和提供的實(shí)驗(yàn)平臺完成設(shè)計任務(wù)，從而建立清晰完整的整機(jī)概念。（2）掌握各個單元模塊的工作的原理,進(jìn)一步將其組成完整的系統(tǒng),構(gòu)造一臺基本的復(fù)雜模型機(jī)。（3）學(xué)會規(guī)劃讀/寫內(nèi)存、寄存器、 數(shù)值計算等功能,并且編寫相應(yīng)的機(jī)器指令和微程序,在具體上機(jī)的過程中,觀察設(shè)計出的模型機(jī)的執(zhí)行情況，根據(jù)輸出的結(jié)果做出分析，從而更好的掌握計算機(jī)組成原理的知識。二、機(jī)器指令的設(shè)計和微程序設(shè)計原理計算機(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)器指令對應(yīng)于一組微程序。1、數(shù)據(jù)格式 模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，且

3、字長為8位，其格式如下：其中第 7 位為符號位，數(shù)值表示范圍是：。2、指令格式 模型機(jī)設(shè)計四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、i/o 指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。（1）算術(shù)邏輯指令 設(shè)計9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：其中，op-code 為操作碼，rs為源寄存器，rd 為目的寄存器，并規(guī)定： 9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表 7.2-1。(2) 訪問指令及轉(zhuǎn)移指令 模型機(jī)設(shè)計 2 條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（sta）、取數(shù)（lda），2 條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（jmp）、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令（bzc），指令格式為：其中，op-cod

4、e 為操作碼，rd 為目的寄存器地址（lda、sta 指令使用）。d 為位移量（正負(fù)均可），m 為尋址模式，其定義如下：本模型機(jī)規(guī)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(jié)指令，其格式如下： 其中，addr=01 時，選中“input device”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10 時，選 中“output device”中的數(shù)碼塊作為輸出設(shè)備。 （4）停機(jī)指令 指令指令格式如下： halt 指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。3、指令系統(tǒng) 本模型機(jī)共有 16 條基本指令，其中算術(shù)邏輯指令7條，訪問內(nèi)存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2

5、條，其它指令 1 條。表 7.2-1 列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。4、總體設(shè)計本模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖如圖 7.2-1。根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)要求，設(shè)計微程序流程圖及確定微地址，如圖 7.2-2。 按照系統(tǒng)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(jìn)制代碼表，并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時的十六進(jìn)制格式文件，見表 7.2-2。5.74ls181芯片的功能表6.微程序設(shè)計如下是機(jī)器指令格式說明和微指令格式說明 三.總體設(shè)計1.機(jī)器指令的設(shè)計（1）機(jī)器指令的助記符為：start: in 01，r0 （r0）=15hmov r0，r1inc r1and r0，r1 rlc

6、 r1，r2out 10，r2jmp 00，starthalt（2）將助記符轉(zhuǎn)換為指令i. in 01，r0對應(yīng)的指令格式為0100 0100即16進(jìn)制的44ii. mov r0，r1對應(yīng)的指令格式為1000 0001即16進(jìn)制的81iii. inc r1對應(yīng)的指令格式為1011 0101即16進(jìn)制的b5iv. and r0，r1對應(yīng)的指令格式為1100 0001即16進(jìn)制的c1v. rlc r1，r2對應(yīng)的指令格式為1111 0110即16進(jìn)制的f6vi. out 10，r2對應(yīng)的指令格式為0101 1010即16進(jìn)制的5avii. jmp 00，start對應(yīng)的指令格式為0000 1000

7、 0000 0000即16進(jìn)制的08和00viii. halt對應(yīng)的指令格式為0110 0000即16進(jìn)制的60（3）.根據(jù)機(jī)器指令的格式可以編成的機(jī)器指令為： $p0044$p0181$p02b5$p03c1$p04f6$p055a$p0608$p0700$p08602.微程序流程圖根據(jù)機(jī)器指令可以畫出微程序流程圖如下（其中的地址為16進(jìn)制）：3.微代碼的設(shè)計（1） 微代碼設(shè)計原理按照課程設(shè)計中微指令格式，參照微程序流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進(jìn)制代碼表，并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時的十六進(jìn)制格式文件，見表 7.2-2。 其中ua0-ua5為6位的后續(xù)微地址，即下地址字段，a、b、

8、c為三個譯碼字段，分別由三-八譯碼器譯碼出多位。c字段中的p1p4是四個測試字位，其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的為地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行。在上述各測試下址中未用到的位均直接保留。ar為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。b字段中的rs-b、rd-b、ri-b分別為源寄存器選通信號，目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行三個工作寄存器r0、r1及r2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是某芯片的控制信號，它們的功能都是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行相應(yīng)芯片的選擇譯碼。（2）二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換根據(jù)微程序流程圖、微

9、地址和程序執(zhí)行時的控制信號可編成以下二進(jìn)制代碼：微地址s3 s2 s1 s0 m cnwe a9a8abcua5ua00000000001100000010000100001000000011110110110000010020000000011000000010100000300000000101000000000010004000000001110000010100000100000000111101101100000111400000000000100000000000115000000110000010000000001180000000110010010000000011b00000

10、00110100010001100101c0000000110100010001100111f0011000110000010001110012000000000100100000000000122000001011101101110000001320000000110011010000000013300000001101101000011010135101110011001101000000001390001100110001000001110103a000000011001100000000001二進(jìn)制代碼表(3)微程序根據(jù)微指令格式及二進(jìn)制代碼表，將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制可得下面微程

11、序：$m00018108$m0101ed82$m0200c050$m0300a004$m0400e0a0$m1001ed83$m14001001$m15030401$m18019201$m1b01a232$m1c01a233$m1f318239$m20009001$m2205db81$m32019a01$m3301b435$m35b99a01$m3919883a$m3a0198014.接線并調(diào)試(1)根據(jù)下面實(shí)驗(yàn)線路圖在實(shí)驗(yàn)箱上接線(2)調(diào)試調(diào)試步驟：寫入微程序，與pc聯(lián)機(jī)，將實(shí)驗(yàn)微程序裝入實(shí)驗(yàn)裝置中。寫程序，聯(lián)機(jī)讀/寫程序。選擇聯(lián)機(jī)軟件的【轉(zhuǎn)儲】à【裝載】功能菜單將該實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的文件

12、*.txt載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即可。運(yùn)行程序，使用聯(lián)機(jī)運(yùn)行。聯(lián)機(jī)運(yùn)行程序時，進(jìn)入軟件界面，裝載機(jī)器指令及微指令后，選擇【運(yùn)行】à【通路圖】à【復(fù)雜模型機(jī)】功能菜單打開相應(yīng)動態(tài)數(shù)據(jù)通路圖，按相應(yīng)功能鍵即可聯(lián)機(jī)運(yùn)行、監(jiān)控、調(diào)試程序。四執(zhí)行過程1.指令執(zhí)行過程的記錄本課程設(shè)計設(shè)置輸入值為15h（1）第一條機(jī)器指令是$p0044，一共有3拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。sw->bus，bus->r0第三拍是把輸入的數(shù)放到寄存器r0

13、里面，此時（r0）=15h。（2）第二條機(jī)器指令是$p0181，一共有3拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。r0->r1 第三拍是把寄存器r0里面的數(shù)傳送到寄存器r1里面，此時（r1）=15h。（3）第三條機(jī)器指令是$p02b5，一共有4拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。r1->bus，bus

14、->dr1 第三拍是把寄存器r1里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器dr1里面，此時（dr1）=15h。dr1+1->bus，bus->rd 第四拍是把數(shù)據(jù)寄存器dr1送到運(yùn)算器alu當(dāng)中，執(zhí)行自加1操作之后，把所得數(shù)據(jù)送到寄存器r1里面，此時（r1）=16h。（4）第四條機(jī)器指令是$p03c1，一共有5拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。rs->bus，bus->dr1 第三拍是把寄存器r0里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器dr1里面，此時

15、（dr1）=15h。rd->bus，bus->dr2 第四拍是把寄存器r1里面的數(shù)傳送到數(shù)據(jù)寄存器dr2里面，此時（dr1）=16h。dr1dr2->bus，bus->rd 第五拍是把數(shù)據(jù)寄存器dr1、dr2里面的數(shù)據(jù)傳送到alu當(dāng)中，進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算之后，把所得數(shù)據(jù)送到寄存器r1里面，此時（r1）=14h。（5）第五條機(jī)器指令是$p04f6，一共有5拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。r1->299 第三拍是把寄存器

16、r1里面的數(shù)傳送到299移位寄存器當(dāng)中，也就是 14h。帶進(jìn)位循環(huán)左移 第四拍是將數(shù)14h進(jìn)行帶進(jìn)位左循環(huán)移動一位，所得數(shù)為28h。299->r0 第五拍是將移位寄存器里的數(shù)28h傳送到寄存器r2當(dāng)中，此時（r2）=28h。（6）第六條機(jī)器指令為$p055a，一共有3拍：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。r2->led 第三拍是把寄存器r2里面的數(shù)輸出，此時數(shù)碼顯示管顯示28。（7）第七、八條機(jī)器指令是$p0608、$p0700，一共有6拍

17、：pc->ar ，pc+1第一拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。arm->bus，bus->ir第二拍是把ram里面的內(nèi)容放到指令寄存器ir里面。pc->ar ，pc+1第三拍是將pc中的地址放到ar中，pc指向下一條指令。ram->bus，bus->dr1 第四拍是把ram里面的內(nèi)容放到數(shù)據(jù)寄存器dr1里面。ram->bus，bus->ar 第五拍是把ram里面的內(nèi)容放到地址寄存器ar里面，之后進(jìn)行p(2)測試，進(jìn)入jmp。dr1->bus，bus->pc 第六拍是把數(shù)據(jù)寄存器dr1里的內(nèi)容送回程序計數(shù)器pc當(dāng)中，之

18、后跳轉(zhuǎn)到第一條機(jī)器指令重復(fù)執(zhí)行。2.指令執(zhí)行過程的部分截圖五課程設(shè)計結(jié)論在做課程設(shè)計的過程中，我們遇到了許多的難題。一開始寫指令和程序的時候，因?yàn)椴欢美锩婺切┬盘柕囊馑迹詿o從下手，后來查閱了一些資料和問了一些人之后終于知道了那些信號的意思和如何寫出機(jī)器指令和微程序。寫出來微程序后，就進(jìn)行接線，一開始接好線后，在聯(lián)機(jī)測試過程中通過了，那時感覺很開心，因?yàn)楹苌倏梢砸淮谓泳€就通過的，但是后來運(yùn)行了幾次之后，實(shí)驗(yàn)箱的接線又出現(xiàn)問題了，檢測了好久找不出原因，只能重新接線，這次接好線后連測試都不通過，雖然按著實(shí)驗(yàn)箱上顯示的那幾條線路去檢查，但是還是找不出原因，只能再重新接線，最后接線終于通過了測試。然