基本模型机的设计跳转指令的实现课程设计任务书1Word下载.docx
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(5)设计微程序及其实现的方法(包括微指令格式的设计,后续微地址的产生方法以及微程序入口地址的形成)。
(6)模型机当中时序的设计安排。
(7)设计指令执行流程。
(8)给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序。
(9)说明在使用软件HKCPT的联机方式与脱机方式的实现过程(包括编制程序中跳转指令的时序分析,累加器A和有关寄存器、存储器的数据变化以及数据流程)。
(10)课程设计总结(设计的特点、不足、收获与体会)。
时间安排:
周一:
熟悉相关资料。
周二:
系统分析,设计程序。
周三、四:
编程并上实验平台调试周五:
撰写课程设计报告。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
基本模型机的设计
——跳转指令的实现
一、设计的目的及设计原理
1、设计目的
基本模型机系统分析与设计,就是要求我们利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务,从而建立清晰完整的整机概念。
掌握计算机组成原理实验平台的使用。
本次课程设计的主要目的有两个:
1、掌握各个单元模块的工作的原理,进一步将其组成完整的系统,构造一台基本的模型计算机;
2、学会规划读/写内存、寄存器、数值计算等功能,并且编写相应的微程序,在具体上机的过程中,调试各个模块单元以便进一步掌握整机的概念。
2、设计原理
在各个模块试验中,各模块的控制信号都是由实验者手动模拟产生的,而在真正的试验系统中,模拟机的运行是在微程序的控制下,实现特定指令的功能。
在本实验平台中,模拟机从内存中取出、解释、执行机器指令都将由微指令和与之相配合的时序来完成,即一条机器指令对应一个微程序。
二、设计模型机的逻辑框图
简单的模型计算机是由算术逻辑运算单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。
在本次设计中采用硬件与软件相结合的方式。
实验开始之前,只需进行少量的数据线的链接。
整体日上不仅仅减少了手动连线给实验带来的复杂性,而且使得整个实验趋于自动化,可以在电脑软件的辅助下观察到清晰的机器步骤和结果,大大简化了实验过程。
根据设计要求,对试验仪硬件资源进行逻辑组合,便可设计出该模型机的整机逻辑框图。
图一表示的就是实验计算机整机逻辑框图。
图一整机逻辑框图
在模型机中,将要实现RAM的读/写指令,寄存器的读/写指令,跳转指令,ALU的加减、与、或指令。
把通用寄存器作为累加器A,进行左、右移等指令,整体构成一个单累加器多寄存器的系统。
三、指令系统的设计
本实验平台内采用的是8位数据总线和8位地址总线方式,在设计指令系统时应考虑有哪几种类型的指令,哪几种寻址方式和编码方式。
1、指令系统
一般的指令系统包含有一下五类指令:
算术/逻辑运算类指令(加-ADD、减-SUB)、移位操作类指令(带位左移-RLC、带位右移-RRC)、数据传送类指令(MOV)、程序跳转指令(无条件跳转-JMP、数值为零跳转-JZ、进位为零跳转-JC)、存储器操作类指令(STA)。
最后还有一个停机指令(HALT)。
2、指令格式
主要包括指令的寻址方式和编码方式。
寻址方式分为直接寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、立即数寻址。
一般指令由操作码和地址码组成,高位为操作码,低位为地址码。
下面依次分析各类寻址方式的指令格式。
①直接寻址
如双字节指令STA
高位——操作码
I7
I6
I5
I4
I3
I2
I1
I0
低位——地址码
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
②寄存器直接寻址
指令字节中含有寄存器选择码,决定选择哪个寄存器进行操作。
如单字节指令MOVA,Ri
操作码和寄存器选择码在一起
如双字节指令MOVRi,#data
高位——操作码和寄存器选择码
低位——数据
③寄存器间接寻址
如单字节指令MOVA,@Ri
④立即数寻址
如MOVRi,#data
四、设计微程序及其实现的方法
在本实验平台的硬件设计是采用的24位微指令,若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式,那么至多可有24个微操作控制信号,可由微代码直接实现。
若采用多组编码译码,那么24位的微代码通过二进制译码可实现2n个互斥的微操作控制信号。
由于模型机指令系统规模较小,功能也不太复杂,所以采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。
在模型机中,用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址MD0-MD7。
这种方法称为“按操作码散转”。
如下表一所示。
指令操作码
微程序首地址
MD7、MD6
MD1、MD0
MD7~MD0
1
003H
007H
00BH
00FH
013H
017H
01BH
01FH
023H
027H
02BH
02FH
033H
037H
03BH
03FH
表一操作码散转
每条指令由不超过4条的微指令组成,那么可以根据下表表二组成每条微程序的首地址。
MD7
MD6
MD5
MD4
MD3
MD2
MD1
MD0
表二微程序首地址形成
微指令的运行顺序为下地址确定法,即采用计数增量方法,每条微指令执行过后微地址自动加一,指向下一条微指令地址。
例如确定了一条程序的微程序入口地址为07H,当执行完07H这条微指令后微地址加一,指向08H的微地址。
五、模型机当中时序的设计安排
由于模型机已经确定了指令系统,微指令采用全水平不编码纯控制场的格式,微程序的入口地址采用操作码散转方式,微地址采用技术增量方式,所以可确定模型机中的时序单元所产生的每一拍的作用。
本实验中为了更好地观察实验的各个中间过程各寄存器的值,由监控单元产生一个PLS-O的信号来控制时序产生(见下图二)。
PLS-O信号经过时序单元的处理产生了4个脉冲信号。
4个脉冲信号组成一个微指令周期,为不同的寄存器提供工作脉冲。
图二时序图
PLS1微地址寄存器的工作脉冲,用来设置微程序的首地址及微地址加1。
PLS2PC计数器的工作脉冲,根据微指令的控制实现PC计数器加1和重置PC计数
器(跳转指令)等功能。
PLS3把24位微指令打入3片微指令锁存器。
PLS4把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器中。
六、设计指令执行流程
根据模型机整机逻辑图和目前硬件条件来设计指令系统中每条指令的执行流程。
在每个系统中,一条指令从内存取出到执行完毕,需要若干个机器周期,任何指令中都必须有一个机器周期作为“取指令周期”,称为公操作周期。
而一条指令共需几个机器周期取决于指令在机器内实现的复杂程度。
对于微程序控制的计算机,在设计指令执行流程时,要保证每条微指令所含的微操作的必要性和合理性,还要知道总线IAB、IDB、OAB、ODB仅是信息传输的通路,没有寄存信息的功能,而且必须保证总线传输信息时信息的唯一性。
下表表二就本次设计用到的指令分析其执行流程。
指令助记符
指令功能
微周期
微操作
取指微指令
取指
T0:
PC->
地址总线->
RAM
RAM->
数据总线->
IR1
ADDA,Ri
(A)+(Ri)->
A
T1:
T2:
T3:
A->
DR1
Ri->
DR2
ALU->
A、置CY
MOVA,#data
Data->
MOVRi,#data
Ri
STAaddr
(A)->
addr
IR2
IR2->
地址总线,A->
续表
RLCA
C、A左移一位
A<
<
1、置CY
RRCA
C、A右移一位
A>
>
JZaddr
A=0,addr->
PC
条件成立:
JCaddr
CY=0,addr->
JMPaddr
Addr->
HALT
停机
表二指令执行流程
七、给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序
1、源程序代码
MOVA,#51
MOVR0,#32
MOVA,#18
JZ07
ADDA,R0
JC0F
JMP12
MOVR1,#42
ADDA,R1
STA30
2、程序的指令代码和微程序
上面源程序段的指令代码和微程序如下表三所示。
指令序列
指令代码
微指令序列
微指令说明
00MOVA,#51
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