设计一台嵌入式CISC模型计算机.doc
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桂林电子科技大学课程设计论文报告纸
编号:
计算机组成原理课程设计说明书
题目:
设计一台嵌入式CISC模型计算机
系别:
专业:
学生姓名:
学号:
指导教师:
2013年4月09日
目录
1课程设计的题目及内容 1
1.1课程设计的题目 1
1.2课程设计完成的内容 1
2总体设计 2
2.1CISC模型机数据通路框图 2
2.2操作控制器的逻辑结构框图 2
2.3模型机的指令系统和所有指令的指令格式 3
2.4所有机器指令的微程序流程图 5
3汇编语言及机器语言源程序 8
3.1汇编语言源程序 8
3.2机器语言源程序 8
4机器语言源程序的功能仿真波形图及结果分析 9
5故障现象与故障分析 12
6体会 13
7软件清单 14
7.1算术逻辑运算单元ALU 14
7.2状态条件寄存器单元 16
7.3通用寄存器单元 16
7.41:
2分配器单元 17
7.53选1数据选择单元 18
7.5.13选1数据选择器MUX3_1 18
7.5.23选1数据选择器MUX3_2 18
7.64选1数据选择器单元 19
7.6.14选1数据选择器MUX4_1 19
7.6.14选1数据选择器MUX4_2 20
7.7程序计数器单元 21
7.8地址寄存器单元 22
7.9ROM存储器单元 23
7.10RAM存储器单元 24
7.11指令寄存器单元 25
7.12指令转换器单元 25
7.13时序产生器单元 26
7.14微程序控制器单元 27
1课程设计的题目及内容
1.1课程设计的题目
设计一台嵌入式CISC模型计算机(采用定长CPU周期、联合控制方式),并运行能完成一定功能的机器语言程序进行验证,机器语言源程序功能如下:
要求连续输入5个有符号整数(用8位二进制补码表示,十六进制数输入)求所有负数的平方和并输出显示。
说明:
①5个有符号数从外部输入;
②一定要使用符号位(比如说SF),并且要使用负的时候转移(JS)或不为负的时候转移(比如说JNS)指令。
③采用三数据总线结构的运算器,采用RAM,先将输入数据依次存放在RAM的某一连续的存储区域内,再依次读出判断是否为负数,若为负数再求其平方和。
1.2课程设计完成的内容
1.完成系统的总体设计,画出模型机数据通路框图;
2.设计微程序控制器(CISC模型计算机)的逻辑结构框图;
3.设计机器指令格式和指令系统;
4.设计时序产生器电路;
5.设计所有机器指令的微程序流程图;
6.设计操作控制器单元;
在CISC模型计算机中,设计的内容包括微指令格式(建议采用全水平型微指令)、微指令代码表(根据微程序流程图和微指令格式来设计)和微程序控制器硬件电路(包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器等。
具体电路根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码来设计)。
7.设计模型机的所有单元电路,并用VHDL语言(也可使用GDF文件----图形描述文件)对模型机中的各个部件进行编程,并使之成为一个统一的整体,即形成顶层电路或顶层文件;
8.由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序;
9.根据设计的指令格式,将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序,并将其设计到模型机中的ROM中去;
10.使用EDA软件进行功能仿真,要保证其结果满足题目的要求;(其中要利用EDA软件提供的波形编辑器,选择合适的输入输出信号及中间信号进行调试。
)
2总体设计
2.1CISC模型机数据通路框图
整个系统数据通路如下所示,但是在数据Cache处(RAM)将双向的数据总线改为单向的输出数据总线和输入数据总线,还有就是所有的输出总线不能直接连接,需增加多路选择器。
2.2操作控制器的逻辑结构框图
…
…
指令寄存器IR
操作码
微地址寄存器
地址译码
控制存储器
地址转移
逻辑
状态条件
微命令寄存器
P字段
操作控制字段
微命令信号
2.3模型机的指令系统和所有指令的指令格式
本指令系统共采用了12条不同功能的指令,指令字长度为双字节,寻址方式有三种,分别是寄存器寻址、直接寻址和立即寻址。
为了完成求负数和的平方和的功能,系统共设计了12条指令:
IN1(输入),OUT1(输出),MOV(将一个数送入寄存器),LAD(取数),STOI(存数),JNS(条件转移指令),JMP(无条件跳转指令),ADD(两数相加),MUL(两数相乘),INC(自增1),DEC(字减1),TEST(测试)。
下面分类介绍这些指令的指令格式。
(1)I/O指令
输入指令(IN1)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
Rd
XXXXXXXX
输出指令(OUT1)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
XX
XXXXXXXX
(2)转移指令
条件转移指令(JNS)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
XX
addr
无条件跳转指令(JMP)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
XX
addr
(3)数据传输指令
传数指令(MOV)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
Rd
im
取数指令(LAD)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
Rd
XXXXXXXX
存数指令(STOI)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
Rd
XXXXXXXX
(4)运算指令
加法指令(ADD)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
Rd
XXXXXXXX
乘法指令(MUL)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
Rd
XXXXXXXX
自加1指令(INC)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
Rd
XXXXXXXX
自减1指令(DEC)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
XX
Rd
XXXXXXXX
测试指令(TEST)格式:
15—12
1110
98
7—0
操作码
Rs
XX
XXXXXXXX
由此可见,本模型机中的指令系统共有12条基本指令。
表2.3给出了每条指令的助记符、指令格式和功能。
助记符号
指令格式
功能
15—12
1110
98
7—0
IN1Rd
0001
XX
Rd
XXXXXXXX
输入设备→Rd
MOVRd,im
0010
XX
Rd
im
立即数→Rd
LAD(Rs),Rd
0011
Rs
Rd
XXXXXXXX
((Rs))→Rd
ADDRs,Rd
0100
Rs
Rd
XXXXXXXX
(Rs)+(Rd)→Rd
INCRd
0101
XX
Rd
XXXXXXXX
(Rd)+1→Rd
DECRd
0110
XX
Rd
XXXXXXXX
(Rd)-1→Rd
JNSaddr
0111
XX
XX
addr
若为正数,addr→PC
STOIRs,(Rd)
1000
Rs
Rd
XXXXXXXX
(Rs)→(Rd)
JMPaddr
1001
XX
XX
addr
addr→PC
OUT1Rs
1010
Rs
XX
XXXXXXXX
(Rs)→输出设备
MULRs,Rd
1011
Rs
Rd
XXXXXXXX
(Rs)*(Rd)→Rd
TESTRs
1100
Rs
XX
XXXXXXXX
测试符号位
其中,对Rs和Rd的规定:
Rs或Rd
选定的寄存器
00
R0
01
R1
10
R2
11
R3
模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示,单字长为8位,其格式如下:
7
6543210
符号位
尾数
T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图
Q
CLR
T1
T2
T3
T4
一个CPU周期
现在,我们开始微程序控制器的设计,它包括以下几部分工作:
(1)根据指令格式和指令系统设计所有机器指令的微程序流程图,并确定每条微指令的微地址和后继微地址;
(2)设计微指令格式和微指令代码表;
(3)设计地址转移逻辑电路;
(4)设计微程序控制器中的其它逻辑单元电路,包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器;
(5)设计微程序控制器的顶层电路。
2.4所有机器指令的微程序流程图
PC→ABUS(I)
RDROM
IBUS→IR
PC+1
P
(1)
00
STOI
TEST
MUL
OUT1
MOV
JMP
JNS
ADDD
IN1
LADD
DEC
INC
0C
03
04
01
0B
0A
09
08
07
06
05
02
Rs→X
锁存CF、SF
Rs→X
Rd→Y
X*Y→Rd
锁存CF、SF
Rs→LED
IR(A)→PC
Rd→AR
Rd→Y
Y-1→Rd
锁存CF、SF
Rd→Y
Y+1→Rd
锁存CF、SF
Rs→X
Rd→Y
X+Y→Rd
锁存CF、SF
Rs→AR
IR(A)→Rd
SW→Rd→
0E
0D
00
00
00
00
RDRAM
DBUS→Rd
RDRAM
DBUS→Rd
00
00
00
00
00
00
P
(2)
IR(A)→PC
00
00
SF=1
- 配套讲稿:
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