復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱課題名稱復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)（一）專 業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級學(xué) 號姓 名指導(dǎo)教師2011年8月29日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱課 題復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué) 號指導(dǎo)老師審 批陳華光任務(wù)書下達(dá)日期2011年8月29日任務(wù)完成日期 2011年9月5日一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求.設(shè)計(jì)內(nèi)容模型機(jī)是由五個(gè)部分組成的計(jì)算機(jī)，通過它可以理解計(jì)算機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及功 能，理解CPU、存儲(chǔ)器、中斷控制器、總線的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)邏輯和各部件之間的 接口關(guān)系。本次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用西安唐都公司的TDN-CM+的內(nèi)部 可編程資源，設(shè)計(jì)一個(gè)模型計(jì)算機(jī)。本課程設(shè)計(jì)的主要目的是通過部件級

2、的模型 機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)由5部分組成，掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，從 “指令一微指令一微操作”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并 培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。.設(shè)計(jì)要求：（1）借助于TDN-CM+的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲(chǔ)器，微命 令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時(shí)序信號單元，寄存器組，總線， 輸入輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計(jì)一臺的模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)包括模型計(jì)算 機(jī)組成的設(shè)計(jì)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用匯編語言完成設(shè)計(jì)并調(diào)試成功。（2）復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)要求（參考P107-115）模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指

3、令、I/O指令、訪問 及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)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）。設(shè)計(jì)2條I/O指令，輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令。設(shè)計(jì)停機(jī)指令1條用單字節(jié)表示。（3）調(diào)試的程序第一組地址（H）內(nèi)容（H）助記符說明$P0044 IN 01 R0INPUT device-R0$P0146 IN 01 R2INPUT device-R2$P0298 ADC R2 R0R2+R0+CY-R0$P0381 MOV R0 R1R0-R

4、1$P04F5 RLC R1 R1R1右移一位$P050C BZC 00 0000-PC$P0600第二組地址（H）內(nèi)容（H）助記符說明$P0045IN 01 R1INPUT device-R1$P0100LDA 00 00 R0(20)- R0$P0220$P0386MOV R1 R2R1-R2$P04A8SBC R2 R0R2-R0-CY-R0$P05F5RLC R1 R1R1右移一位$P060CBZC 00 0000-PC$P0700第三組地址（H）內(nèi)容（H）助記符說明$P0046IN 01 R2INPUT device-R2$P0184MOV R2 R0R2- R0$P0244IN 0

5、1 R0INPUT device-R0$P0398ADC R2 R0R2+R0+CY-R0$P04E2COM R2NOT R2 -R0$P05D6STA 00 0A R2R2 -(0A)$P060A$P070CBZC 00 0000-PC$P0800在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以小組為單位完成相關(guān)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)測試和記錄并 進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?。要求，同一小組的每個(gè)同學(xué)必須分析一條不同的機(jī)器指令的微程序的組成，說 明組成該機(jī)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(wù)書的要求，編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告（Word文檔格式）。并用A4 的復(fù)印紙打印并裝訂。（5）在規(guī)定的時(shí)間

6、內(nèi)，請各班學(xué)習(xí)委員收齊課程設(shè)計(jì)報(bào)告在星期五交陳華光老師。.分組及安排分5組，學(xué)號除以5取余數(shù)，余數(shù)為0的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)1、余數(shù)為1的 同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)2,余數(shù)為2的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)3,余數(shù)為3的同學(xué)做基于 RISC的模型機(jī)，余數(shù)為4的做流水線模型機(jī)，每個(gè)組必須獨(dú)立完成指定的題目， 每個(gè)同學(xué)按要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。.成績評定程序設(shè)計(jì)方案是否合理；程序設(shè)計(jì)是否正確；調(diào)試結(jié)果；設(shè)計(jì)說明書的質(zhì)量 高低；答辯時(shí)回答問題情況；課程設(shè)計(jì)周表現(xiàn)情況；總評成績記入“課程設(shè)計(jì)成 績評分表”。二、進(jìn)度安排第1周-2周，具體安排如下:星期時(shí)間班級內(nèi)容地點(diǎn)第1周18： 0011： 50計(jì)算機(jī)0981任務(wù)安排E-5

7、102接線E-5103調(diào)試E-510414： 3018： 20計(jì)算機(jī)0981系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn)E-51058： 0011： 50計(jì)算機(jī)0981接線E-510調(diào)試E-510系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn)E-510附：課程設(shè)計(jì)報(bào)告裝訂順序：封面、任務(wù)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?jǐn)?shù)要求在5000字以上（不含源程序代碼）。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 一、課題的主要功能07 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 二、總體設(shè)計(jì)方案07 HYPERLINK l

8、bookmark67 o Current Document 1、模型機(jī)的邏輯框圖072、用框圖語言表示模型機(jī)的指令執(zhí)行流程07 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 三、數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì)091、數(shù)據(jù)格式09 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 2、模型機(jī)的尋址方式093、指令格式09 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 四、指令和微程序的設(shè)計(jì)121、指令系統(tǒng)122、修改微指令12五、線路連接圖13 HYPERLINK l bookmark122

9、 o Current Document 六、微程序流程及說明22 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 1、微程序截圖流程142、修改后的機(jī)器指令223、源程序清單22 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 七、課程設(shè)計(jì)的收獲及體會(huì)24 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 八、參考資料24 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 九、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系課程設(shè)計(jì)評分表25一、課題的主要功能本課題設(shè)計(jì)的主要目

10、的是通過部件級的模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使學(xué)生理解計(jì) 算機(jī)由5部分組成，掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，從“指令一微指令一微操作”概念 的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的 能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。二、總體設(shè)計(jì)方案復(fù)雜模型機(jī)的邏輯框圖以控制器為中心，首控制器從指令寄存器取得指令，編譯指令，再輸出 微控制信號，控制ALU的運(yùn)算，PC加一，并且從RAM中取出數(shù)據(jù)運(yùn)算，運(yùn)算后再把 結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線存到RAM，在指令寄存器讀去下一條指令，依次循環(huán)。地址總線BUSDR 1(74273)DR2(74273：MEM (6116)OUTPUT圖1復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖用框圖語言表示模

11、型機(jī)的指令執(zhí)行流程二一蕓flwmnR.=.W-MZW% XaL一M Ah12J擔(dān)1 kA nKJJ1*J竺J *BN-sMmlLn 竺.Q. *9 .M-t-,=7一2 , 一二W ,=如 n1 一三R.ttiYns=tt年 V-H3=.；日項(xiàng),5lz*2T -z三AAllawr* %SZ陛 nn,3ww F榮二Me.wP-,E 1 sfn IHVM |Cr I12 物?HZ kL =一 E MX.Id-HEM.M= .-E一T圖2模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖三、數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì)(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)，且字長為8位，其格式如下:76 5 4 3 2 1 0符號尾數(shù)其中

12、第7位為符號位，相對于十進(jìn)制數(shù)值表示范圍是：一2 7Xaddi注：有兩處錯(cuò)誤1. AND為雙目操作，所以指令格式為1100 I rs I rd2. COM中是對rd進(jìn)行操作所以指令格式1101 rd算術(shù)邏輯運(yùn)算指令用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：7 6 5 43 210OP-CODErsrd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:Rs 或 rd選定的寄存器00R001R110R2（2）訪問指令及轉(zhuǎn)移指令模型機(jī)設(shè)計(jì)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

13、式為：7 65 43 21 000MOP-CODERDD其中，OP-CODE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：尋址模式M有效地址E說 明00E= D直接尋址01E= (D)間接尋址10E= (RI) +DRI變址尋址11E= (PC) +D相對尋址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:7 6 5 43 21 0OF-CODEaddrrd其中，addr=01時(shí)，選中“INPUT DEVICE”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，addr=10時(shí)，選中“OUTPUT DEVICE”中的數(shù)碼塊作為輸出設(shè)備。

14、(4)停機(jī)指令指令格式如下:7 6。43 21 0OPCODE0000HALT指令，用于實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。四、指令和微程序的設(shè)計(jì)(1)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(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，表X即為將圖X微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制微代碼表”。并將 二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機(jī)操作時(shí)的十六進(jìn)制格式文件，見下表X。2423222120191817161514 1312 11 109 8 7654

15、321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABC卜A5卜A5pA5卜A5pA5pA5A字段日字段C字段151413逸擇000001LDPf01_0LDDR101J.LDDP210LDIR101LOAD110LDAR1211選擇001RS-B01RD-B011RI-H1299-B11ALU-H11PC-B987逸擇1P(l)1F11P(3)10P(4)11AR11LDPC要求，同一小組的每個(gè)同學(xué)必須分析一條不同的機(jī)器指令的微程序的組成，說明組成該 機(jī)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(jī)器指令，從指令系統(tǒng)能夠中找到該指令的指令格式，修改 rs或者rd來

16、修改機(jī)器指令。從微程序流程圖中找到條需要修改的機(jī)器指令，明 白該條機(jī)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(jìn)制，再換成十六進(jìn)制；從源程序清單中找到換成的十六進(jìn)制序號，取序號后面 的六位數(shù)。把六位數(shù)中的前兩位數(shù)換成十六進(jìn)制，在74LS181的邏輯功能表中 看第一位數(shù)的十六進(jìn)制（即S3 S2 S1 S0）與微指令操作是否相符，以確認(rèn)方法 無誤。然后把需修改的微指令中的S3 S2 S1 S0修改為想要的微指令的S3 S2 S1 S0。把第2位數(shù)的十六進(jìn)制的前2個(gè)（即M Cn）進(jìn)行修改。算術(shù)運(yùn)算M=0，邏 輯運(yùn)算則M=1.有進(jìn)位Cn=0，無進(jìn)位Cn=1.把修改后的結(jié)果寫入源程

17、序中即可。五、線路連接圖BUS UN IT3 h.cALU UNITEl.明AU URll l U N IL1123SIGNAL UNIT-口； Ml RHJ MI4aLUUKILIJUK2SALlJ.B2WB| ARIF .冏-I.Ml: DRS.BHU-HIlhUl.nili I?LjCKj UNITJ LCliiRfi-BKLkH RhBSWITCH UNITI I WtJI NS UN IT1213.idO LUI 14MAIN MEM CE QMlClWlCHsTlKJL.I.hHI.UAI4LtlAI；匚|烏K LUKEX UNITINPUT DE,I I LD 您 ZCJAHH驅(qū)

18、 MW(6)把R2, R1的值送到運(yùn)算器中并運(yùn)算。7）把運(yùn)算結(jié)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(shù)送到299芯片中。(12)把299芯片中數(shù)據(jù)右移后的結(jié)果送到R0中。（2）修改后的機(jī)器指令第一組地址（H）內(nèi)容（H）助記符說明$P0045IN 01 R1INPUT device-R1$P0146IN 01R2INPUT device-R2$P0299XRLR2 R1R2 R1-R1$P0384MOVR1 R0R1-R0$P04F0RRCR0 R0R0右移一位$P050CBZC00 0000-PC$P0600指令區(qū)*(3

19、)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$

20、M1901A22A$M1A01B22C$M1B01A232$M1C01A233$M1D01A236$M1E318237$M1F318239$M20009001$M21028401$M2205DB81$M230180E4$M24018001$M2595AAA0$M2600A027$M2701BC28$M2895EA29$M2995AAA0$M2A01B42B$M2BBD9B41/此行由算術(shù)運(yùn)算加法改成邏輯運(yùn)算與$M2C01A42D$M2D65AB6E$M2E0D9A01$M2F01AA30$M300D8171$M31959B41$M32019A01$M3301B435$M3405DB81$M35B99B41$M360D9A01$M37298838$M38019801$M3919883A$M3A019801$