长治学院课程设计报告书完整版.docx

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长治学院课程设计报告书完整版

长治学院

课程设计报告

课程名称：

计算机组成原理课程设计

设计题目：

研制一台性能简单实验计算机

系别：

计算机系

专业：

网络工程

组别：

第十一组

学生姓名:

申宁霞学号:

12407427

起止日期:

2014年6月26日~2014年7月1日

指导教师:

张剑妹

目录

1课程设计的目的2

2设计要求2

3设计的方法及过程3

3.1整机设计3

3.2设计指令系统3

3.3设计微指令及指令的微程序4

3.4编写并执行应用程序7

3.4.1手工汇编8

3.4.2机器汇编10

4心得体会16

研制一台性能简单实验计算机

1课程设计的目的

通过课程设计更清楚地理解下列基本概念：

（1）计算机的硬件基本组成；

（2）计算机中机器指令的设计；

（3）计算机中机器指令的执行过程；

（4）微程序控制器的工作原理；

（5）微指令的格式设计原理；

2设计要求

研制一台性能如下的计算机。

（1）没有外部设备；

（2）运算器采用单累加器多寄存器结构；

（3）操作数寻址方式有：

立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址；

（4）设计如下指令组成的指令系统，其中L为累加器A，JX为通用寄存器。

将指令的二进制编码填入表中；

序号

指令助记符

指令功能

指令编码

第一字节

第二字节

1

JIANL，JX

（L）-（JX）L

2

YIDONGL，@JX

（I2I1I0（JX））L

3

YIDONGL，JX

（JX）L

4

YIDONGJX，L

（L）JX

5

ZHUANGZDIZHI

（DIZHI）L

6

FASONGDIZHI

L（DIZHI）

7

ZHUANZDIZHI

L是零转移

8

ZHUANCYDIZHI

有进位转移

9

ZHUANL0DIZHI

L0位是1转移

10

ZHUANYIDIZHI

无条件转移

11

YIDONGL，SHUJU

SHUJUL

12

YIDONGJX，SHUJU

SHUJUJX

13

TINGJI

停机

（5）计算各指令的微地址并写出各指令的微程序；

（6）编写汇编语言程序实现如下功能：

将内存某个单元的数据想减后存入另一个单元中，若结果为零，则在00B单元中存入数据0，否则在00B单元中存入数据1.要求将被减数的地址在某个寄存器JX中；

（7）将该应用程序机器汇编、机器装入、并连续执行，查看运行结果并验证程序的正确性；

（8）将下列程序手工汇编、手工装入并运行，查看运行结果。

ORG100

START：

YIDONGL，#08

YIDONGJ1，#05

JIANL，J1

FASONG00D

TINGJI

3设计的方法及过程

3.1整机设计

（1）内存：

RC’----M22（RC）+φ，WC’----M21（WC）+φ；

（2）寄存器：

RR----M20，WR’----M21·φ；

（3）运算器：

X0----M10，X1----M11，CA----φ，CC----φ，CG----M7，CT-----+5V，OT----M6，S3-S0----M3-M0，/Cn----M4，M----M5，OB----M8，SB、SA----X1X0，CP’----M9+φ；

（4）指令部件：

GI----M12，CI----φ，CL’----M13·φ，OI----M14，P+1----M15，CLR----+5V，CK----φ；

（5）微程序控制部件：

MIG----GND，MICP----启停模块产生，MCLR----RO，MCLK----PO，MLD----M18，MP+1----+5V，MD10-MD6----GND，MD5-MD2----I7-I5,I2，MD1-M0----+5V；

（6）启停和时序：

DR----M19，RCP----φ；

（7）总线缓存：

B1、B3----RF，B2----RC’。

3.2设计指令系统

每条非转移指令的I7，I6，I5，I2不同，寄存器间接寻址时，，I2必须为0，转移指令具体由I4，I3决定，设计指令系统时，我们按逆序的方式设计。

表1指令系统

序号

指令助记符

指令功能

指令编码

第一字节

第二字节

1

JIANL，JX

（L）-（JX）L

000001JX

2

YIDONGL，@JX

（I2I1I0（JX））L

001000JX

3

YIDONGL，JX

（JX）L

001001JX

4

YIDONGJX，L

（L）JX

010000JX

5

ZHUANGZDIZHI

（DIZHI）L

01100aaa

a7-a0

6

FASONGDIZHI

L（DIZHI）

10000aaa

a7-a0

7

ZHUANZDIZHI

L是零转移

10100aaa

a7-a0

8

ZHUANCYDIZHI

有进位转移

10101aaa

a7-a0

9

ZHUANL0DIZHI

L0位是1转移

10110aaa

a7-a0

10

ZHUANYIDIZHI

无条件转移

10111aaa

a7-a0

11

YIDONGL，SHUJU

SHUJUL

11000100

SHUJU

12

YIDONGJX，SHUJU

SHUJUJX

111000JX

SHUJU

13

TINGJI

停机

00000000

3.3设计微指令及指令的微程序

（1）计算微地址

微程序入口地址形成的方法：

11位微地址由MD10~MD0形成，其中MD10~MD6硬件内部已经接0，MD1MD0为11，

MD10MD9MD8MD7MD6MD5MD4MD3Md2MD1MD0

00000I7I6I5I211

本实验中取址微指令存放在000H处，每条指令都必须取址，在每一条指令结束后，进入取址周期。

表2指令微地址

序号

指令助记符

微地址

1

TINGJI

003H

2

JIANL，JX

007H

3

YIDONGL，@JX

00BH

4

YIDONGL，JX

00FH

5

YIDONGJX，L

013H

6

ZHUANGZDIZHI

01BH

7

FASONGDIZHI

023H

8

ZHUANZDIZHI

02BH

9

ZHUANCYDIZHI

02CH

10

ZHUANL0DIZHI

02CH

11

ZHUANYIDIZHI

02CH

12

YIDONGL，SHUJU

037H

13

YIDONGJX，SHUJU

03BH

（2）写出指令的执行流程

在实验过程中，根据具体的需要和实验目的，使用设计的指令完成，在此过程中相应控制信号有效，其余控制信号为无效。

表3指令的执行流程

指令助记符

节拍

微操作

控制信号

控制信号有效性

取指微指令

T0

（PC）-〉IAB-〉OAB（M）-〉ODB-〉IDB-〉IR1

（PC）+1-〉PC

（MD）-〉MPC接数

（A）-〉ACT

PCO，B1

RC，B2，B3，CI，GI

P+1，CK

MLD

CC，CG

0，0

0，0，0，↑，0

1，↓

0

↑，0

JlANL，JX

T1

（ACT）-（JX）→BUF→IDB→L置CY

RR,A,B

/CN,M,S3,S2,S1,S0

OB,XO,X1，CA

SA,SB,CP

0,I1,I0

0,0,0,1,1,0

0,1,1,↑

1,1,↑

YIDONGL，@JX

T1

（Ri）-〉BUS-〉IDB-〉IR2

RR，A，B，OB，CL/CN,M,S3,S2,S1,S0

0，I1，I0，0，↑，1，1，1，0，1，0

T2

（IR1、IR2）→IAB→

OAB

（M）→ODB→IDB→L

OI,B1

RC,B2,B3,XO,X1,CA

0，0

0，0，0，1，1，↑

YIDONGL，JX

T1

（JX）→BUF→IDB→L

RR,A,B

/CN,M,S3,S2,S1,S0

OB,XO,X1,CA

0,I1,I0

1,1,1,0,1,0

0,1,1,↑

YIDONGJX，L

T1

（ACT）→BUF→IDB→JX

/CN,M,S3,S2,S1,S0

OB,WR,A,B

1,0,0,0,0,0

0,0,I1,I0

ZHUANGZDIZHI

T1

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→IR2

（PC）+1→（PC）

PCO,B1

RC,B2,B3,CL

P+1,CK

0,0

0,0,0,↑

1,↓

T2

（IR1、IR2）→IAB→

OAB

（M）→ODB→IDB→L

OI,B1

RC,B2,B3,XO,X1,CA

0,0

0,0,0,1,1,↑

FASONGDIZHI

T1

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→IR2

（PC）+1→（PC）

PCO,B1

RC,B2,B3,CL

P+1,CK

0,0

0,0,0

1,↓

T2

（IR1、IR2）→IAB→

OAB

（ACT）→BUF→IDB→ODB

OI,B1

/CN,M,S3,S2,S1,S0

OB,B2,B3,WC

0,0

1,0,0,0,0,0

0,1,0,0

ZHUANZDIZHI

ZHUANCYDIZHI

ZHUANL0DIZHI

ZHUANYIDIZHI

T1

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→IR2

（PC）+1→（PC）

PCO,B1

RC,B2,B3,CL

P+1,CK

0,0

0,0,0,↑

1,↓

T2

（IR1、IR2）→IAB

IAB→PC（条件成立）

OI

LP

0

1

YIDONGL,SHUJU

T1

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→L

（PC）+1→（PC）

PCO,B1

RC,B2,B3,X0,X1,CA

P+1,CK

0,0

0,0,0,1,1,↑

1,↓

YIDONGJX，SHUJU

T1

（PC）→IAB→OAB

（M）→ODB→IDB→JX

（PC）+1→（PC）

PCO,B1

RC,B2,B3,WR,A,B

P+1,CK

0,0

0,0,0,0,I1,I0

1,↓

TINGJI

T1

置“0”RUN

DR,RCP

0,↑

（3）编写指令的微程序

指令微程序依据每条指令的执行过程判断有效信号，24位控制信号线形成微指令编码是6位十六进制，而指令微地址由微地址形成部件形成，微指令由2位控制信号形成。

指令的微地址及微指令：

M23M22M21M20M19M18M17M16M15M14M13

WC’RC’WR’RRDRMLD/LP’P+1OICL’

M12M11M10M9M8M7M6M5M4M3M2M1M0

GIX1X0CP‘OBCGOTM/CNS3S2S1S0

表4微指令表

指令

助记符

位

23222120

19181716

15141312

111098

7654

3210

信号

WC’RC’WR’RR

DRMLD

/LP’

P+1OI

CL’GI

X1X2CP’

OB

CGOTM

/CN

S3S2S1

S0

微指令码

有效

信号

0010

00*0

1010

**10

00**

****

微地址

取指微指令

000H

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

001

002

TINGJI

003

1101

0101

0101

0001

1100

0000

D551C0

004

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

005

006

JIANL,JX

007

1100

1101

0101

1100

1100

0110

CD5CC6

008

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

009

00A

YIDONGL,@JX

00B

1100

1101

0111

0000

1111

1010

CD70FA

00C

1001

1101

0001

1101

1100

0000

9D1DC0

00D

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

00E

YIDONGL,JX

00F

1100

1101

0101

1100

1111

1010

CD5CFA

010

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

011

012

YIDONGJX,L

013

1111

1101

0101

0000

1101

0000

FD50D0

014

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

015

016

ZHUANGZ

DIZHI

01B

1001

1101

1111

0001

1100

0000

9DF1C0

01C

1001

1101

0001

1101

1100

0000

9D1DC0

01D

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

01E

FASONGDIZHI

023

1001

1101

1111

0001

1100

0000

9DF1C0

024

0101

1101

0001

0000

1101

0000

5D10D0

025

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

026

ZHUANZDIZHI

02B

1001

1101

1111

0001

1100

0000

9DF1C0

ZHUANCYDIZHI

02C

1101

1100

0001

0001

1100

0000

DC11C0

ZHUANL0DIZHI

02D

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

ZHUANYIDIZHI

02E

YIDONGL，SHUJU

037

1001

1101

1101

1101

1100

0000

9DDDC0

038

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

039

03A

YIDONGJX，SHUJU

03B

1011

1101

1101

0001

1100

0000

BDD1C0

03C

1001

1001

1100

0001

0100

0000

99C140

03D

03E

3.4编写并执行应用程序

将题目汇编，装入并运行，查看结果

第七题：

ORG200

START：

YIDONGJ2,#05

YIDONGJ3,#05

YIDONGL,J3

JIANL,J2

FASONG00EH

ZHUANZ210H

YIDONGL,#01

FASONG00BH

ZHUANYI214H

YIDONGL,#00

FASONG00BH

TINGJI

第八题：

ORG100

START:

YIDONGL,#08

YIDONGJ1,#05

JIANL,J1

FASONG00D

TINGJI

要求使用手工汇编方法执行应用程序，第七题最后结果放在00D中，即00D单元中显示03。

3.4.1手工汇编

手工汇编是将微指令翻译成与之相对应的机器能够识别的机器代码，并且将此代码写入内存，在启动后计算机将自动识别并且执行完成，根据相应的指令单字节和双字节，机器代码分别占用内存的一个单元或者两个单元。

（1）机器代码

题目与机器代码对应为：

第七题：

ORG200

YIDONGJ2,#05；200：

E205

YIDONGJ3,#05；202：

E305

YIDONGL,J3；204：

27

JIANL,J2；205：

06

FASONG00EH；206：

800E

ZHUANZ210H；208：

A210

YIDONGL,#01；20A：

C401

FASONG00BH；20C：

800B

ZHUANYI214H；20E：

BA14

YIDONGL,#00；210：

C400

FASONG00BH；212：

800B

TINGJI；214：

00

第八题；

ORG100

YIDONGL，#08；100：

C408

YIDONGJ1，#05；102：

E105

JIANL，J1；104：

05

FASONG00D；105：

800D

TINGJI；107：

00

（2）开关拨至CM端，微指令装入控存中

将完成相应程序的微指令写入微地址所指的控存中，装入控存时每条微指令（除停机微指令）最后节拍必须为取址微指令。

表5微指令写控存

指令助记符

微地址

节拍

T0

T1

T2

YIDINGLL,SHUJU

037H

9DDDC0

99C140

YIDONGJX，SHUJU

03BH

BDD1C0

99C140

JIANL,J1

007H

CD5CC6

99C140

FASONGDIZHI

023H

9DF1C0

5D10D0

99C140

TINGJI

003H

D551C0

99C140

（3）开关拨至M端，机器代码写入主存

表6机器代码写内存

指令

指令功能

主存地址

手工汇编

ORG100

程序段首地址

100

YIDONGL,#08

将08送至累加器中

100

C4

101

08

YIDONGJ1,#05

将05送至寄存器1中

102

E1

103

05

JIANL,J1

（L）-（J1）→（L）

104

05

FASONG00D

将累加器内容

送至00D单元

105

80

106

0D

TINGJI

停机

107

00

（4）检查结果

在控制台输入源程序首地址100，LOAD装载首地址，START直接执行，该程序执行结果是03，在00D单元中执行结果是03，结果验证为正确。

单步执行流程：

表7程序执行步骤

键入的指令

显示运行结果

注释

主存地址

指令内容

100LOAD

100

C4

送程序的首地址

STEP

100

C4

执行第一条指令

YIDONGL,#08

STEP

101

08

STEP

102

E1

执行第二条指令

YIDONGJ1,#05

STEP

103

05

STEP

104

05

执行第三条指令

JIANL,J1

STEP

1FF

03

显示运算结果

STEP

105

80

执行第四条指令

FASONG00D

STEP

106

OD

STEP

00D

03

显示00D的内容

STEP

107

00

执行第五条指令

TINGJI

STEP

1FF

FF

停机完成

3.4.2机器汇编

（1）FD-CES系统软件

FD-CES系统软件是为FD-CES实验仪与PC机相连以构成高层次实验系统用的配套软件，它提供屏幕编译、汇编、反汇编、文件传送及调试等功能，该软件在Windows下运行。

“FD-CES计算机组成实验仪系统软件”由“FD-CESAssenber”和“Fd-CESDebugger”两大模块组成。

“FD-CESAssenber”进入编译环境，可编译微指令定义文件（BIT.DEF）、指令定义文件（INS.DEF）、微程序（MOP.MID）和汇编源程序（*.ASM）,它提供屏幕编辑、汇编、反汇编和微程序代码的转换功能。

实验过程中中，自己需要通过屏幕编辑来设计四类文件，即为程序（*.mid）、指令定义文件（INS.DEF）、汇编源程序（*.ASM）以及微指令位定义文件（BIT.DEF）。

微程序文件（MOP*.MID）

;QUZHI

;000H~002H

-99C140

-

-

;TINGJI