复杂模型机设计之冒泡排序.docx

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复杂模型机设计之冒泡排序

课程设计任务书

课程名称：

计算机组成原理

设计题目：

（共3个课题，最多2人一组，每组任选一题）

1.简单模型机的设计（累加和）；

2.复杂模型机的设计之一（求最大值）；

3.复杂模型机的设计之二（原码四位乘法）。

已知技术参数和设计要求：

内容和技术参数：

利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。

设计环境为TDN－CM＋计算机组成原理教学实验系统，微机，虚拟软件。

将所设计的微程序在此环境中进行调试，并给出测试思路和具体程序段。

最后撰写出符合要求的课程设计说明书、完成答辩。

1.简单模型机的设计（累加和）

设在内存地址20h处开始存放着数组1、3、5、7、9、...。

请编写机器指令及程序、微指令，完成数组求和，并依次输出结果。

2.复杂模型机的设计之一（求最大值）

设在内存地址20h处开始存放着数组66、33、88、...、00。

请编写机器指令及程序、微指令，完成数组最大值的查找。

只输出最后结果，要有停机指令。

3.复杂模型机的设计之二（原码四位乘法）

要求完成两个4位二进制无符号数的相乘。

请编写机器指令及程序、微指令。

只输出最后乘积，要有停机指令。

以上数据字长为8位。

指令字长为8的整数倍。

微指令字长为24位。

具体要求：

1、确定设计目标

确定所设计计算机的功能和用途。

2、确定指令系统

确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。

确定相对应指令所包含的微操作。

3、总体结构与数据通路

总体结构设计包括确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。

在此基础上，就可以拟出各种信息传输路径，以及实现这些传输所需要的微命令。

综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求，设计合理的数据通路结构，确定采用何种方案的内总线及外总线。

数据通路不同，执行指令所需要的操作就不同，计算机的结构也就不一样。

4、设计指令执行流程

数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令所需要的机器周期数。

对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需考虑哪些微操作可以安排在同一条微指令中，哪些微操作不能安排在同一条微指令中。

5、确定微程序地址

根据后续微地址的形成方法，确定每个微程序地址及分支转移地址。

6、微指令代码化

根据微指令格式，将微程序流程中的所有微指令代码化，转化成相应的二进制代码写入到控制存储器中的相应单元中。

7、组装、调试

在总调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有各功能模块工作正常后，才能保证整机的正常运行。

当所有功能模块都调试正常后，进入总调试。

连接所有模块，用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图，当全部微程序流程图检查完后，若运行结果正确，则在内存中装入一段机器指令，进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。

课程设计说明书要求：

课程设计说明书按学校统一格式撰写和装订。

课程设计报告要求打印,其中的数据通路框图、微程序流程图、实验接线图用VISIO等工具软件绘制或用铅笔工工整整绘制。

（1）封面（包括：

题目、所在系、班级、学号、指导教师及时间等项，可到教务处网页上下载）

（2）任务书

（3）鉴定表

（4）目录

目录要层次清晰，要给出标题及页次，目录的最后一项是无序号的“参考文献”。

（5）正文

正文应按目录中编排的章节依次撰写，要求计算正确，论述清楚，文字简练通顺，插图清晰，书写整洁。

文中图、表及公式应规范地绘制和书写。

正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成：

1）课程设计题目；

2）课程设计使用的实验设备；

3）课程设计步骤（包括确定所设计计算机的功能和用途、指令系统、总体结构与数据通路、设计指令执行流程、确定微程序地址、微指令代码化、组装、调试。

）

4）课程设计总结（包括自己的收获与体会；遇到的问题和解决的方法等）；

（5）附录

附录1：

数据通路图

附录2：

微程序流程图

附录3：

实验接线图

附录4：

实验程序及微程序

附录5：

参考文献（资料）（格式规范参照长沙学院毕业设计（论文）撰写规范）

设计工作量：

（1）作品：

设计的最终作品包括硬件和软件两个部分，要求能够演示并达到设计指标的要求。

每个学生（或小组）在作品完成后，要经指导教师检查，同意拆除后方可拆卸。

（2）论文：

严格按上述课程设计说明书的要求撰写和装订。

每个学生一份。

成绩评定标准：

课程设计的成绩分为：

优秀：

、良好、中等、及格、不及格五个等级。

优秀：

自行完成复杂模型机的设计之三（冒泡排序）或复杂模型机的设计之四（补码四位乘法），指令系统完备有更新扩充。

调试成功。

文档规范齐全。

良好：

完成复杂模型机的设计之一（求最大值）或者复杂模型机的设计之二（原码四位乘法）中的一个题目，指令系统指令种类丰富有一定的更新。

调试成功。

文档规范齐全。

中等：

完成简单模型机的设计（累加和），在老师指导下对指令系统有更新。

调试成功。

文档规范齐全。

及格：

完成简单模型机的设计（累加和）。

调试成功。

文档规范齐全。

不及格：

没有课程设计报告，无故缺勤，不能完成调试者不及格。

工作计划：

时间：

15、16周

讲授：

4课时

答疑及设计：

16课时

上机调试：

16课时

答辩：

4课时

指导教师签名：

　　　　　　　　　日期：

2012年12月17日

教研室主任签名：

　　　　　　　日期：

系主任签名：

　　　　　　　　　日期：

长沙学院课程设计鉴定表

姓名

xxx

学号

xxxxx

专业

计算机科学与技术

班级

x班

设计题目

复杂模型机设计之冒泡排序

指导教师

指导教师意见：

评定等级：

教师签名：

日期：

答辩小组意见：

评定等级：

　　　　　答辩小组长签名：

　　　　　日期：

教研室意见：

教研室主任签名：

日期：

系（部）意见：

系主任签名：

　　　　　　　　日期：

说明

课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；

第1章选题背景

1.1课题选择

通过一个学期的计算机组成原理课程的学习，学到了许多计算机的理论知识。

CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成。

通过写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能。

运算器（ALU）处理加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作。

微程序控制器（MC）把机器操作信号编译成微指令，通过读取微指令产生机器所需要的各种操作控制信号。

通用寄存器（R0）可用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果。

指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。

程序计数器（PC）是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方，保证程序能够连续地执行。

地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

为了能综合运用所学的知识，设计并实现一个较为完整的计算机模型，我在老师给定的所有选题中，通过预先查找资料，最终选择了冒泡排序这个题目。

在这个课程设计中将会用到IN、AND、INC、LDI、LAD、JMP、BZC等相关指令，运用复杂模型机来编写机器指令及程序、微指令，预先于E0H为首地址的数组中存入要参与排序的数据，通过取址指令找到地址，把地址中的数据依次取出，进行比较，再通过各指令的相互配合执行，以完成数组的排序，并按照顺序输出结果。

此次课程设计目的主要是为了进行复杂模型机的设计，我选择的课题是编写机器指令及程序、微指令，完成数组的冒泡排序。

1.2设计要求

此次课题的目的是设计一台模型计算机，进一步建立整机的概念。

借助于TDN-CM++的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，I/O单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。

设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用设计好的指令系统完成一个冒泡排序的程序。

第2章软硬件设计

2.1软硬件环境

PC机一台，TD-CMA实验系统一套，复杂模型机模拟器。

2.2设计原理

此次课程设计为复杂模型机设计，设计复杂模型机将会涉及到数据格式，指令设计，指令格式，指令系统等相关内容。

CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成。

通过写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能。

运算器（ALU）处理加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作。

微程序控制器（MC）把机器操作信号编译成微指令，通过读取微指令产生机器所需要的各种操作控制信号。

通用寄存器（R0）可用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果。

指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。

程序计数器（PC）是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方，保证程序能够连续地执行。

地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

指令有微控制命令组成，可以通过微地址找到。

通过更改下地址把微程序串联起来。

通过把微程序封装组合成一条可拓展的微指令。

2.2.1数据格式

模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，8位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：

0≤X≤127。

2.2.2指令设计

模型机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。

运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有6条运算类指令，分别为：

ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。

控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。

数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共6条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。

2.2.3指令格式

所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）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

01

10

11

R0

R1

R2

R3

IN和OUT的指令格式为：

7654

（1）

32

（1）

10

（1）

7--0

（2）

OP-CODE

RS

RD

P

其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见图2.2.3（在地址总线单元）。

图2.2.3I/O地址译码原理图

由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表2.2.3.1所示：

表2.2.3.1I/O地址空间分配

A7A6

选定

地址空间

00

IOY0

00-3F

01

IOY1

40-7F

10

IOY2

80-BF

11

IOY3

C0-FF

系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。

LDI的指令格式如下，第一