组成原理课程设计具有运算及间接寻址功能的复杂模型机的设计.docx
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组成原理课程设计具有运算及间接寻址功能的复杂模型机的设计
东莞理工学院
本科课程设计
课程设计题目:
具有运算及间接寻址功能的
复杂模型机的设计
学生姓名:
学号:
系别:
计算机学院
专业班级:
11计算机科学与技术1班
指导教师姓名:
目录
一.课程设计性质和目的.............................3
二.课程设计任务...................................3
三.所用的设备及软件.............................3
四、课程设计原理..................................3
五.课程设计的详细设计...........................7
六.课程设计内容(方法步骤)和调试步骤............11
七.实验结果(数据记录).............................11
八.心得体会.......................................12
九.回答问题.......................................13
一、课程设计性质和目的
《计算机组织与体系结构》课程设计是计算机科学与技术专业本科学生在学习完《计算机组织与体系结构》课程之后的一个重要的实践环节。
要求学生在教师的指导下,综合运用已学过的《计算机组织与体系结构》中的各种知识和技能,独立完成一项较为完整、并具有一定难度的课程设计任务。
使学生在掌握“TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统”部件单元的基础上通过对复杂模型机的设计,以达到对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解,加深对理论课程的理解。
通过模型机的设计和调试,连贯运用计算机组成原理课程学习到的知识,建立计算机整机概念,培养独立工作和创新思维。
二、课程设计任务
具有运算及间接寻址功能的复杂模型机的设计
⏹机器指令程序如下:
⏹IN01,R1;(R1)=4AH设计时同学们可以给R1送入其它数值
⏹LDA01,30H,R0;将[30H]存储单元的数据20H作为存储器的地址,再把该地址中的数据16H送R0存储器间接寻址
⏹SBCR0,R1
⏹OUT10,R1
⏹RRCR1,R2
⏹OUT10,R2
⏹HALT
三、所用的设备及软件
设备:
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台、PC机一台、排线若干
软件:
CMCC软件
四、课程设计原理
1.数据格式
模型机规定采用定点补码表示法表示数据,且字长为8位,其格式如下:
7
6543210
符号
尾数
其中第7位为符号位,数值表示范围是:
-
≤X≤
-1。
2.指令格式
模型机设计四大类指令共十六条,其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。
(1)算术逻辑指令
设计9条算术逻辑指令并用单字节表示,寻址方式采用寄存器直接寻址,其格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
RS
RD
其中,OP-CODE为操作码,rs为源寄存器,rd为目的寄存器,并规定:
RS或RD
选定的寄存器
00
R0
01
R1
10
R2
9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表8-1。
表1算术逻辑指令的助记符、功能和具体格式
助记符
指令格式
功能
CLRRD
0111
00
RD
0RD
MOVRS,RD
1000
RS
RD
RSRD
ADCRS,RD
1001
RS
RD
RS+RD+CYRD
SBCRS,RD
1010
RS
RD
RS-RD-CYRD
INCRD
1011
RD
RD
RD+1RD
ANDRS,RD
1100
RS
RD
RS
RDRD
COMRD
1101
RD
RD
RDRD
RRCRSRD
1110
RS
RD
RLCRS,RD
1111
RS
RD
LDAM,D,RD
00
M
00
RD
(E)RD
RD(E)
EPC
D
STAM,D,RD
00
M
01
RD
D
JMPM,D
00
M
10
00
D
BZCM,D
00
M
11
00
当CY=1或Z=1时EPC
D
INaddr,RD
0100
01
RD
(addr)RD
OUTaddr,RD
0101
10
RD
RD(addr)
HALT
0110
00
00
停机
(2)访问指令及转移指令
模型机设计2条访内指令,即存数(STA)、取数(LDA),2条转移指令,即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC),指令格式为:
76
54
32
10
00
M
OP-CODE
RD
D
其中,OP-CODE为操作码,RD为目的寄存器地址(LDA、STA指令使用)。
D为位移量(正负均可),M为寻址模式,其定义如下:
寻址模式
有效地址E
说明
00
E=D
直接寻址
01
E=(D)
间接寻址
10
E=(RI)+D
RI变址寻址
11
E=(PC)+D
相对寻址
本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。
(3)I/O指令
输入(IN)和输出(OUT)指令采用单字节指令,其格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
addr
RD
其中,addr=01时,选中“INPUTDEVICE”中的开关组作为输入设备,addr=10时,选中“OUTPUTDEVICE”中的数码块作为输出设备。
(4)停机指令
指令格式如下:
7654
32
10
OP-CODE
00
00
HALT指令,用于实现停机操作。
3.指令系统
本模型机共有16条基本指令,其中算术逻辑指令7条,访问内存指令和程序控制指令4条,输入输出指令2条,其它指令1条。
表8-1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
4.微指令格式
S3、S2、S1、S0、M、Cn控制运算的工作方式:
WE控制主存、输入设备和输出设备的读写功能;A9、A8通过74LS139二四译码器译码输出
、
、
、
,分别接输入设备的SW-B、主存的CE、输出设备的LED-B及其它情况。
微指令字长共24位,其控制位顺序如表2所示:
表2控制位顺序表
24
23
22
21
20
19
18
17
16
151413
121110
987
6
5
4
3
2
1
S3
S2
S1
S0
M
CN
WE
A9
A8
A
B
C
uA5
uA4
uA3
uA2
uA1
uA0
A字段B字段C字段
12
11
10
选择
0
0
0
0
0
1
RS-B
0
1
0
RD-B
0
1
1
RI-B
1
0
0
299-B
1
0
1
ALU-B
1
1
0
PC-B
15
14
13
选择
0
0
0
0
0
1
LDRi
0
1
0
LDDR1
0
1
1
LDDR2
1
0
0
LDIR
1
0
1
LOAR
1
1
0
LDAR
9
8
7
选择
0
0
0
0
0
1
P
(1)
0
1
0
P
(2)
0
1
1
P(3)
1
0
0
P(4)
1
0
1
AR
1
1
0
LDPC
其中UA5~UA0为6位的后续微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。
C字段中的P
(1)~P(4)是四个测试字位。
其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。
B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通。
指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的一条指令。
当执行一条指令时,先把它从内存取到指令寄存器中,然后再对其进行译码、运行。
指令划分为操作码和地址码字段,由二进制数构成,为了执行任何给定的指令,必须对操作码进行测试,通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。
“指令译码器”根据指令中的操作码译码强置微控制器的微地址,使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
上述系统有两种外部I/O设备,一种是二进制代码开关,它作为输入设备;另一块是数码块,它作为输出设备。
例如,输入时,二进制开关数据直接经过三态门送到总线上,只要开关顺序不变,输入的信息就不变。
输出时,将输出数据送到数据总线上,当写信号(W/R)有效时,将数据打入输出锁存器,驱动数码块显示。
五.课程设计的详细设计
1.复杂模型的数据通路图
图1复杂模型的数据通路图
2.微程序流程图及微地址的确定
图2微程序流程图
3.机器指令设计
首先根据指令要求编写机器指令代码,根据表1及数据通路图1,编写程序。
根据表1编写机器指令代码如下所示:
程序助记符
$P3020
$P2016
$P0045IN01,R1
$P0110LDA01,30H,R0
$P0230
$P03A1SBCR0,R1
$P0459OUT10,R1
$P05E6RRCR1,R2
$P065AOUT10,R2
$P0760HALT0000
4.微代码设计文档
根据微指令格式表2,并参照微指令流程图2,将每条指令代码化(将该微程序存于一个*.txt文本中)。
微程序如下:
$M00018108
$M0B018001
$M0101ED82
$M0200C050
$M14001001
$M1101ED85
$M0500E006
$M0600A007
$M0700E0A0
$M20009001
$M21028401
$M2205DB81
$M230180E4
$M24018001
$M3405DB81
$M1A01B20D
$M0D01A40E
$M0E65AB4F
$M4F0D9A01
$M15030401
$M1E318203
$M03298804
$M04019801
$M16018016
5.接线图
六.课程设计内容(方法步骤)和调试步骤
1.实验步骤
(1)按图4连接实验线路,检查无误后接通电源。
(2)联机读/写程序
用联机软件的“【转储】—【装载】”功能将该实验对应的文件*.txt载入实验系统。
(3)联机运行
●使编程开关处于“RUN”状态,STEP为“STEP”状态,STOP为“RUN”状态。
拨动总清开关CLR(1→0→1),微地址清零,程序计数器清零,程序首址为00H。
联机运行程序时,进入软件界面,装载机器指令及微指令后,选择“【运行】-【通路图】-【复杂模型机】”功能菜单打开相应动态数据通路图,按相应功能键即可联机测试、运行、监控、调试程序。
①单步运行程序。
●单步运行一条微指令,对照微程序流程图,观察微地址显示灯是否和流程一致。
②连续运行程序
●使“STATEUNIT”中的STEP开关置为“ECEX”状态。
STOP开关置为“RUN”
状态。
●拨动CLR开关,清微地址及程序计数器,然后按动START,系统连续运行程序,稍后将STOP拨至“STOP”时,系统停机。
七、实验结果(数据记录)
$P0045IN01,R1
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
LDR1、T4、SW-BUS
$P0110LDA01,30H,R0
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T4
W/R、CE、LDAR、T3
T5
W/R、CE、LDDP1、T4
T6
W/R、CE、LDAP、T3
T7
W/R、CE、LDR0、T4
$P03A1SBCR0,R1
T1
PC-BUS、LDPC、T4、LDAR、T3
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
R0-BUS、LDDR2、T4
T4
R1-BUS、T4、LDDR1
T5
LDDR1、T4、S1、S0、M、ALU-BUS、Cn
T6
S1、S0、M、Cn、ALU-BUS、S2、S3、LDRI、T4
$P0459OUT10,R1
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
R1-BUS、LED-BUS
$P05E6RRCR1,R2
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
R1-BUS、M、S0、S1
T4
T5
299-BUS、LDR2、T4
$P065AOUT10,R2
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
R1-BUS、LED-BUS
$P0760HALT0000
T1
LDAR、T3、PC-BUS、LDPC、T4
T2
W/R、CE、LDIR、T3
T3
八、心得体会
一周的计算机组成与体系课程设计,我认识到将书本知识理解好和把课程设计做好并不是等价的,仅仅看书理解是不够的,不会将学到的知识运用到实际操作中去,将理论知识学习的再好也没用。
这次复杂模型机的设计,让我真正做到了学以致用,在实践中对所学知识有了更进一步的理解。
而且进一步提升了本人的团队协作能力,我们的团队,不是一开始就将工作分工,而是对任务进行分析理解,将一些比较大的问题进行探讨后在进行分工,我们要的并不仅仅是完成老师交给我们的任务,更加重要的是在完成的过程中不断进步。
在这次与组员的合作过程,让我深刻体会到了团结精神对工作所产生的高效性、准确性。
本次的课程设计实验,是我真正意义上第一次设计复杂模型机,在之前只是在其他人建立好的基础上进行修改,并没有很好的运用到已学到的知识,在这次课程设计,我编写了机器指令和微指令,设计了微程序流程图,当最后运行程序运行成功的时候,感觉还是有点开心的。
当然,在做课程设计的过程中也遇到了些许的困难。
首先是的接线问题,在一开始接线时只是追求速度,想要快一点做完,最终不得不在测试失败的情况下检查错误并将错误改正。
其次是微地址的确定的问题上,通过和同学探讨和询问老师,将设计的不是很合理的内容进行了改正,最终运行通过。
九、回答问题
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- 组成 原理 课程设计 具有 运算 间接 寻址 功能 复杂 模型 设计