計092_09408100228_陳桂林_計算機組成原理課程設(shè)計說明書

1、湖南工業(yè)大學(xué)課 程 設(shè) 計資 料 袋 計算機與通信學(xué)院 學(xué)院（系、部） 2010 2011 學(xué)年第 2 學(xué)期 課程名稱 計算機組成原理 指導(dǎo)教師 楊偉豐 學(xué)生姓名 陳桂林 專業(yè)班級 計算機092 學(xué)號 題 目 復(fù)雜模型機的設(shè)計 成 績 起止日期 2011 年 06 月 13 日 2011 年 06 月 16日目 錄 清 單序號材 料 名 稱資料數(shù)量備 注1課程設(shè)計任務(wù)書12課程設(shè)計說明書13課程設(shè)計圖紙無456 計算機組成原理課程設(shè)計書設(shè)計說明書（題目）微機設(shè)計起止日期： 2011 年 06 月 29 日 至 2011 年 07 月 30 日學(xué)生姓名陳桂林班級計算機092學(xué)號成績指導(dǎo)教師(簽字

2、) 計算機與通信學(xué)院20116.26 一、 設(shè)計目的 綜合運用所學(xué)計算機原理知識，設(shè)計并實現(xiàn)較為完整的模型計算機。二、設(shè)計任務(wù)1、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。2、根據(jù)實驗室設(shè)備提供的硬件環(huán)境，設(shè)計數(shù)據(jù)通路。3、編寫程序，并運行程序，觀察和記錄運行結(jié)果。 二、 設(shè)計儀器 TDXCM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干； PC機一臺。四、設(shè)計原理一、復(fù)雜模型機的數(shù)據(jù)通路框圖如圖2-7。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，如圖2-8。三、 圖2-7 復(fù)雜模型機數(shù)據(jù)通路框圖四、五、 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

3、代碼表，并將二進(jìn)制代碼表轉(zhuǎn)換為聯(lián)機操作時的十六進(jìn)制格式文件。微程序242322212019181716151413121110987654321控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0六、A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC五、設(shè)計步驟 1、根據(jù)復(fù)雜模型機的

4、指令系統(tǒng)，編寫實驗程序。課程設(shè)計例程如下：設(shè)計完全使用寄存器操作。程序首先從數(shù)據(jù)輸入開關(guān)采集數(shù)據(jù)放入R0中，經(jīng)循環(huán)左移兩次放入R1中。然后再次從數(shù)據(jù)輸入開關(guān)采集數(shù)據(jù)放入R0中，經(jīng)循環(huán)右移一次與R1中的數(shù)據(jù)相加，其結(jié)果送到R1中，然后判斷加法的結(jié)果是否有進(jìn)位或為全零，若是就循環(huán)運行，否則，輸出結(jié)果到數(shù)碼管上顯示。實驗的機器指令程序如下：地址 內(nèi) 容 助記符 說 明00 44 IN R0 ；INPUT數(shù)據(jù)R0，第一次采集數(shù)據(jù)（設(shè)輸入數(shù)據(jù)為14H）01 F0RLC R0, R0；R0帶進(jìn)位左循環(huán)移位一次02 F1RLC R0, R1；第二次左移后保存到R1中03 44 IN R0 ；輸入開關(guān)數(shù)據(jù)R0

5、，第二次采集數(shù)據(jù)（設(shè)輸入數(shù)據(jù)仍為14H）04 E0RRC R0, R0；R0帶進(jìn)位右循環(huán)移位一次05 91ADC R0, R1；兩數(shù)據(jù)相加 06 0CBZC 00；若有進(jìn)位或結(jié)果為零，則跳到00地址單元07 0008 59OUT R1；R1 OUTPUT UNIT 顯示；09 60HALT；停機以上程序的機器指令如下：$P0044 $P01F0 $P02F1$P0344 $P04E0 $P0591$P060C $P0700 $P0859$P0960微程序$M $M0101ED82 $M0200C050$M0300A004 $M0400E0A0 $M0500E006$M0600A007 $M07

6、00E0A0 $M0801ED8A$M0901ED8C $M0A00A03B $M0B$M0C00203C $M0D00A00E $M0E01B60F$M0F95EA25 $M1001ED83 $M1101ED85$M1201ED8D $M1301EDA6 $M$M $M $M173D9A01$M $M1901A22A $M1A01B22C$M1B01A232 $M1C01A233 $M1D01A236$M1E $M1F $M$M $M2205DB81 $ME4$M $M2595AAA0 $M2600A027$M2701BC28 $M2895EA29 $M2995AAA0$M2A01B42B

7、$M2B959B41 $M2C01A42D$M2D05AB6E $M2E0DAA2F $M2F01AA30$M300D8171 $M31959B41 $M32019A01$M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41$M360D9A01 $M $M$MA $M3A $M3B070A08$M3C068A092、按圖2-9連接設(shè)計線路，仔細(xì)檢查線路無誤后接通電源。（圖中箭頭表示需要接線的地方，接總線和控制信號時要注意高低位一一對應(yīng)，可用彩排線的顏色來進(jìn)行區(qū)分）圖2-9 復(fù)雜模型機實驗3、寫程序?qū)τ诒驹O(shè)計箱可以用兩種方法來寫入程序。方法一：聯(lián)機讀/寫程序按照規(guī)定格式，將機器指令及微

8、指令編輯成十六進(jìn)制的規(guī)定格式文件，已經(jīng)在前面列出。使用聯(lián)機軟件的文件裝載將實驗程序和微程序下載到實驗箱中，并用軟件的讀出功能進(jìn)行檢查。本實驗參考程序?qū)?yīng)的文件名為“復(fù)雜模型機.TXT”（聯(lián)機軟件的使用方法參看附錄2）。方法二：手動寫入（1）先將機器指令對應(yīng)的微代碼正確地寫入28C16中，可以參照實驗1.7微程序控制器的組成與微程序設(shè)計實驗中微代碼的寫入方法，將本實驗對應(yīng)的微代碼寫入E2PR0M芯片中，對照前面的微程序內(nèi)容校驗正確后就可使用。（2）使用控制臺WRITE和READ微程序進(jìn)行機器指令程序的手動裝入和檢查，其操作如下：A、使SIGNAL UNIT單元的SP03為“STEP”狀態(tài)，SP0

9、4為“RUN”狀態(tài)，CONTROL UNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)，開關(guān)SP06處于“RUN” 狀態(tài)。B、撥動SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址寄存器清零，程序計數(shù)器清零。然后使SWITCH單元的SWB、SWA開關(guān)設(shè)置為“01”，按動一次CONTROL UNIT的觸動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“”，再按動一次START，微地址燈顯示“”，此時數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機器指令，按動兩次START鍵后，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀WRITE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機器指令的首地址總清后為零，以后每個循環(huán)PC會自動加1。所以，每次按動START，只有在微地址燈顯示

10、“”時，才設(shè)置內(nèi)容，直到所有機器指令寫完。C、校驗。撥動SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址清零。PC程序計數(shù)器清零，然后使SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“00”，按動CONTROL UNIT的觸動開關(guān)START，微地址燈將顯示“”，再按START，微地址燈顯示為“”，第三次按START，微地址燈顯示為“”，再按START后，此時OUTPUT單元的數(shù)碼管顯示為該首地址中的內(nèi)容。不斷按動START，以后每個循環(huán)PC會自動加1，可檢查后續(xù)單元內(nèi)容。每次在微地址燈顯示為“”時，是將當(dāng)前地址中的機器指令寫入到輸出設(shè)備中顯示。4、運行程序方法一：聯(lián)機運行程序首先使各個開關(guān)的狀態(tài)為：

11、SIGNAL UNIT中的SP03開關(guān)設(shè)置為“STEP”狀態(tài)。SP04開關(guān)設(shè)置為“RUN”狀態(tài)；CONTROL UNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)， SP06處于“RUN” 狀態(tài)；SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“11”。使SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101）清零后，程序首址為00H。通過聯(lián)機軟件進(jìn)入調(diào)試界面（其操作方法參見附錄2系統(tǒng)聯(lián)機操作軟件說明），可以通過調(diào)試程序的操作界面控制程序的運行，同時觀察運行過程和結(jié)果。方法二：手動運行程序 （1）單步運行程序 A、使CONTROL UNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)， SP06處于“RUN”狀態(tài)，SIGNAL UNI

12、T中的SP03為“STEP”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)，SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“11”。 B、撥動SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址清零，程序計數(shù)器清零，程序首址為00H。 C、單步運行微指令，每按動一次CONTROL UNIT的START觸動開關(guān)，即單步運行一條微指令。對照微程序流程圖2-8，觀察微地址顯示燈MA5-MA0是否和流程一致。 D、當(dāng)運行結(jié)束后，可檢查運行結(jié)果是否和理論值一致。如果運行結(jié)果保存在RAM的某一個單元中，則可以使用手動寫入中的校驗方法將其讀出。 （2）連續(xù)運行程序 A、使CONTROL UNIT的開關(guān)SP05處于“NORM”狀態(tài)，

13、SP06處于“RUN”狀態(tài)，SIGNAL UNIT 中的SP03為“RUN”狀態(tài)，SP04為“RUN”狀態(tài)，SWITCH單元的開關(guān)SWB、SWA為“11”。B、撥動SWITCH單元的總清開關(guān)CLR（101），微地址及程序計數(shù)器清零，然后按動CONTROL UNIT的START觸動開關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)運行程序，稍后將SIGNAL UNIT中的SP04撥至“STOP”時，系統(tǒng)停機。C、停機后，可檢查運行結(jié)果是否正確。如果運行結(jié)果保存在RAM的某一個單元中，則可以使用手動寫入中的校驗方法將其讀出。流程圖如下： 運行運行六、設(shè)計中的測試一、 置入代碼二、 置數(shù)給寄存器三、 運用指令測試線路連接是否正確四、

14、輸入指令五、 運行測試結(jié)果七、課程設(shè)計涉及的基礎(chǔ)知識1、數(shù)據(jù)格式模型機規(guī)定采用定點補碼表示法表示數(shù)據(jù)，且字長為8位，其格式如下：數(shù)據(jù)位數(shù)D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0用途符號尾數(shù)其中第7位為符號位，數(shù)值表示范圍是：1X1。2、指令格式模型機設(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、訪問存儲器、轉(zhuǎn)移指令和停機指令。（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：數(shù)據(jù)位數(shù)D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作碼（OP-CODE）源寄存器（RS）目的寄存器（RD）規(guī)定：選中的寄存器（RS或RD）R0R1R2寄存器

15、的編碼000110算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表23。（2）訪存指令及轉(zhuǎn)移指令模型機設(shè)計2條訪存指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LD），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：數(shù)據(jù)位數(shù)D7 D6D5 D4D3 D2D1 D0D7D0用途00尋址模式M操作碼OP-CODE目的寄存器編碼RD位移量D其中，OPCODE為操作碼，rd為目的寄存器地址（LD、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D直接尋址(D)間接尋址(RI)+DRI變址尋址(PC)+D相對尋址本模型機規(guī)定變址寄存器RI指定為寄存

16、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：數(shù)據(jù)位數(shù)D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作碼（OP-CODE）地址（addr）目的寄存器（RD）其中，在IN 指令中，addr=01，選中“INPUT”中的開關(guān)組作為輸入設(shè)備，在OUT指令中，addr=10時，表示選中“OUTPUT UNIT”中的數(shù)碼塊作為輸出設(shè)備。（4）停機指令指令格式如下：數(shù)據(jù)位數(shù)D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0值01100000HALT指令，機器碼為60H，用于實現(xiàn)停機操作。3、指令系統(tǒng)復(fù)雜模型機共有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

17、令4條，輸入輸出指令2條，其它指令1條。表2-3列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表2-3 復(fù)雜模型機指令系統(tǒng)助記符指令格式指令長度(字節(jié)數(shù))指令功能第一字節(jié)第二字節(jié)CLR rd01 11 00 rd無10RDMOV rs,rd10 00 rs rd無1RSRDADC rs,rd10 01 rs rd無1RS + RD + cy RDSBC rs,rd10 10 rs rd無1RS - RD - cy RDINC rd10 11rd無1RD + 1RDAND rs,rd11 00 rs rd無1RS RD RDCOM rd11 01rd無1RDRRC rs,rd11 10 rs rd無

18、1RS帶進(jìn)位循環(huán)右移一位，然后RSRDRLC rs,rd11 11 rs rd無1RS帶進(jìn)位循環(huán)左移一位，然后rsRDLAD M,D,rd00 M 00 rdD2有效數(shù)據(jù)E RDSTA M,D,rd00 M 01 rdD2RD有效地址EJMP M,D00 M 10 00D2有效數(shù)據(jù)EPCBZC M,D00 M 11 rdD2當(dāng)CY=1或ZI=1時，有效數(shù)據(jù)EPCIN rd01 00 01 rd無1INPUT設(shè)備的數(shù)據(jù)RDOUT rd01 01 10 rd無1RDOUTPUT UNITHALT01 10 00 00無1停機八 、課程設(shè)計總結(jié)經(jīng)過這次課程設(shè)計，我體會到自己所學(xué)的東西太少了，很多都不知道。雖然這次設(shè)計的只是一個小程序，但是這其間我還是學(xué)到