自基本模型机的设计加减法指令的实现.docx
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自基本模型机的设计加减法指令的实现
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
软件工程
指导教师：
工作单位：
题目：
基本模型机的设计－加减法指令的实现
初始条件：
理论:
学完“电工电子学”、“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、和“计算机组成原理”课程，掌握计算机组成原理实验平台的使用。
实践:
计算机学院科学系实验中心提供计算机、实验的软件、硬件平台，在实验中心硬件平台验证设计结果。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求）
1、基本模型机系统分析与设计，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。
2、根据课程设计题目的要求,编制实验所需的程序，上机测试并分析所设计的程序。
3、课程设计的书写报告应包括：
1）课程设计的题目。
2）设计的目的及设计原理。
3）根据设计要求给出模型机的逻辑框图。
4）设计指令系统，并分析指令格式。
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（包括编制程序中每指条令的时序分析,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：
设计时间第２0周
周一:
熟悉相关资料。
周二:
系统分析，设计程序。
周三、四：
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:
年 月 日
基本模型机的设计
—加减法指令的实现
1．设计目的
本次课程设计主要是完成简单的加减法指令的实现，通过使用软件HKCPT,了解程序编译、加载的过程。
通过微单步、单拍调试,理解模型机中的数据流向。
在分析阶段主要完成模型机的整体逻辑框图,并在实验平台上连好线将各个逻辑部件组装成一个完整的模型机;在设计阶段主要是设计出该机的指令系统，并设计出相应的编码方式及时序逻辑;在实验验证阶段,自己按照设计阶段编制的指令系统编写一个程序,在实验平台上观看程序每一步运行的过程。
2．设计原理
模型机的运行是在微程序的控制下,实现特定指令的功能，并且编写相应的
微程序,简单的模型机都是由算术逻辑单元、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。
我们可以先设计模型机的逻辑框图,然后编制相应的指令系统,模型机组装好后就可以输入事先编好的程序检验模型机是否成功。
3．设计内容
3．1逻辑框图设计
ﻩ根据设计的要求,对实验硬件资源进行逻辑组合,便可设计出该模型机整体逻辑框图。
简单的模型机都是由算术逻辑单元、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。
在模型机中,我们将要实现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。
ﻩ下图给出了本次实验的模型机整机逻辑框图：
ﻩMﻩＤＲ1CKEＤR2
PC-OPCCKELPCN Ｓ3S2Ｓ1S０
ALU-O
ﻩALU
EDＲ２DR2CK
RA－ＯＲACKERA X1X0
AＤDRＥSSＢUS
WMRMEMCＫ
ﻩDATABUＳﻩSBﻩSＡﻩWRﻩRR
ﻩﻩＩR1CKＥIＲ１
微地址寄存器组
MCK MＬD
3.2系统连线
1．总线和内存单元
BUS
RＭ
WM
EMCK
DJ1
ＤJ2
DJ３
DJ4
DJ５
DJ６
DJ７
AJ1
M２1
M21
M２２
PＬS4
ALU-IN
AＬU-ＯUＴ
R－IN
RA－IN
R-OUT
ＲA-OUT
PC-IN
PＣ－ＯUT
2．微程序控制单元
MLＤ
ＭCK
ＭＯＣK
MD０
ＭD1
MD2
MＤ3
MD４
ＭD5
MＤ６
ＭD7
M２3
PLS1
ＰLS3
VCC
VCＣ
I4
Ｉ5
I6
I7
GND
GNＤ
3.寄存器单元
SＡ
SB
RR
WR
RCK
X0
X１
ERＡ
ＲA－O
RＡCK
I0
I1
M1５
M１４
PＬS4
M12
M1１
Ｍ10
M9
PLS4
4.算术逻辑单元
EDＲ1
ＥＤＲ2
ALU-O
ＣN
M
S3
S2
Ｓ1
S0
D2ＣＫ
D1CＫ
CCK
ZD
ＣY
M8
Ｍ7
M6
M5
M4
M３
M２
Ｍ1
M0
PLS4
PＬＳ４
PLS4
JZ
JC
５.指令寄存器
ＥIR１
ＥIR2
IR1CＫ
ＩR２ＣK
IR2-O
ＰC-Ｏ
ELP
PCCK
JZ
JＣ
JS０
JＳ1
M2０
Ｍ１９
PLS4
PLS4
M１8
Ｍ１７
M１6
PＬS２
ZD
ＣY
Ｉ2
I３
6.启停单元
ＨCK
HALT
PＬＳ2
M１3
ﻩ3.3指令系统设计
ﻩﻩ本次实验的平台HKZK-CPT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,那几种寻址方式和编码方式。
３．3．１指令类型
算术/逻辑运算指令
如:
加法、减法、取反、逻辑运算等
ﻩADDA，Ri,SＵB Ａ,Ｒｉ
移位操作类指令
ﻩ带进位或不带进位的移位指令
RＲＣA，RRA
数据传送指令
ﻩﻩCPU内部寄存器之间的数据传送
ﻩMOV Ａ，Ｒi，ＭOVRi，A
程序跳转指令
跳转指令分为无条件跳转指令和有条件跳转指令。
可根据寄存器内容为零来标志（ZＤ）、有无进位来标志（CＹ）。
ﻩﻩJMPﻩaddｒﻩ无条件跳转
ﻩJZ ａｄdｒﻩZＤ＝０时跳转
ﻩJCaｄdrCY＝０时跳转
寄存器操作类指令
ﻩﻩ存储器读/写指令。
把内存某单元内容写入寄存器中或把寄存器中的内容写入存储器。
如：
LDAaｄｄrﻩ（addr）－>A
ﻩSTAaddrﻩ（A）－>ａddｒ
3．3．2 操作数寻址方式及编码
1．直接地址寻址
ﻩ如:
LDAaddｒﻩ（adｄr）-＞A
ﻩﻩSＴAﻩaddｒﻩﻩ（A）->addr
ﻩ２.寄存器直接寻址
ﻩ指令字中含有寄存器选择码，决定选择哪个寄存器进行操作。
如:
MOＶﻩA,ﻩＲｉﻩ（Ｒi）-＞A
ﻩ3.寄存器间接寻址
如：
MOVA,＠Ri
4.立即数寻址
如：
MOＶﻩA,#dａtａ
ﻩMＯVﻩRｉ,＃ｄata
3．3.３ 指令系统
指令助记符
指令功能
指令编码
微周期
微操作
取指微指令
Ｔ0：
PＣ-＞地址总线－>ＲAM
RAM->数据总线－>IR１
ADD A，R０
ADDA，R１
ADＤA,Ｒ2
ＡDDA，R３
（A）+（Ri）->A
０C
0D
0E
0F
T0：
Ｔ1:
T2:
Ｔ3:
A->数据总线-＞ＤR1
Rｉ->数据总线-＞DＲ2
ＡＬU->数据总线->A、置CY
取指微指令
ＳＵBA,R0
ＳUBA，Ｒ1
SUＢＡ,R２
SUBＡ，Ｒ3
（Ａ）-（Ｒi）－>A
１C
1Ｄ
1Ｅ
1F
Ｔ0:
T1:
Ｔ2：
T3：
A－>数据总线->DR１
Ri->数据总线->DＲ2
AＬU－>数据总线->A、置ＣＹ
取指微指令
MOV A，@Ｒ0
MOＶA,@R１
MＯＶA,@R2
MOVＡ,@R3
（Ri）->Ａ
2C
２Ｄ
2E
2F
T0:
T1：
T2:
Ri-＞数据总线->DＲ2
IR2->地址总线->RAM－＞A
取指微指令
MOＶＡ,Ｒ0
MOVＡ,R1
ＭOVA,R2
ＭOVA,R3
（Rｉ）->A
3C
３D
3Ｅ
3Ｆ
Ｔ0:
T1:
Ri->数据总线->A
取指微指令
MＯV R0,A
ＭOV R1，A
MOVR2，Ａ
MOＶＲ３,A
（A）->Ri
4C
４D
4E
４Ｆ
T0:
T1
A->数据总线->Ｒi
取指微指令
MOVＡ,＃data
Data->A
5F
T0:
Ｔ１
RAM->数据总线->A
取指微指令
MOVR0,#ｄａta
MOVR1,#daｔａ
MＯV R2,#ｄata
MOVR3，#dａta
Data->A
6Ｃ
6D
６E
６F
T0:
T１
RAM->数据总线－>Ａ
取指微指令
ＬDＡａｄdr
（addr）-＞A
7F
T0:
T1：
T2:
ＲAM－>数据总线->IＲ2
IR２－>地址总线,RAM-＞A
取指微指令
ＳTＡaddr
（Ａ）－>addｒ
８F
Ｔ０:
T１:
T２:
RAM->数据总线->IR2
ＩR2-＞地址总线，A->RＡM
取指微指令
RＬCA
C、A左移一位
9F
T０:
Ｔ１
A<<1、置CY
取指微指令
ＲRCＡ
C、A右移一位
AF
Ｔ0:
Ｔ１
Ａ>>1、置CY
取指微指令
JZ addr
A=0
Addｒ->PＣ
B３
T0:
T１
条件成立：
RＡM->PＣ
取指微指令
ＪＣaddr
Cy=0
Aｄdｒ->PC
B7
Ｔ０:
T1
条件成立:
RAM->ＰC
取指微指令
ＪＭＰaｄdr
Ａｄｄr－>PＣ
ＢF
T0:
Ｔ1
RAM->PC
取指微指令
OＲLＡ,#ｄata
（A）或dａtａ－>A
CF
T０:
T1：
T2:
T3:
Ａ->数据总线->DＲ１
RＡM->数据总线－＞DR2
ALＵ－>数据总线－>Ａ
取指微指令
ANL A,#data
（A）或ｄata->Ａ
ＤF
Ｔ0:
T１:
T2:
T3:
Ａ－＞数据总线->DR1
ＲAＭ－＞数据总线->ＤR2
ＡLU-＞数据总线-＞Ａ
取指微指令
ＨAＬＴ
停机
FＦ
T0:
停机
3.4微程序设计及其实现方法
ﻩ在本次实验平台的硬件设计中,采用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,可以由微代码直接实现。
如果采用多组编码译码、那么24位微代码可实现2n个互斥的微操作控制信号。
ﻩ由于模型机指令系统规模叫小，功能也不太复杂,所以采用全水平不编码纯控制场的格式。
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”（如下表所示）。
ﻩ 微程序首地址形成
ＭD7
ＭD6
MＤ５
ＭD4
MD3
MＤ2
MD1
MD0
0
０
17
16
1５
14
1
1
按操作码散转
指令操作码
微程序首地址
MD7、MD6
17
１6
1５
14
MD1、MD0
MD７~MD6
0
0
０
0
0
1
003H
0
０
０
0
1
１
０07Ｈ
0
０
0
1
0
1
00BＨ
0
0
0
1
1
1
00FH
0
0
1
0
0
1
01３H
0
0
1
0
1
1
017H
０
０
1
1
０
1
０１BH
0
0
１
１
1
1
01FH
０
1
0
0
0
1
02３H
0
1
0
0
1
１
027H
0
1
０
1
0
1
0２BH
０
1
0
1
1
1
02FH
0
1
１
0
0
１
03３H
0
1
1
０
１
１
O37Ｈ
0
１
1
1
0
1
03BH
0
１
１
1
1
１
03FＨ
每条指令由不超过4条的微指令组成,那么可根据下表组成每条微程序的首地址。
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1，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，那么当执行完07H这条微指令后微地址加１，指向0８H微地址。
微地址寄存器由2片7４LS１61组成,当模型机在停止状态下,微地址被清零。
当实验平台开始运行时，微地址从00H开始运行。
且0０H放置一条取值指令，根据程序开始地址从内存中读出第一条指令。
００
取指微指令
01
02
03
减法指令微程序
（1）
０4
减法指令微程序（２）
０5
06
0７
ＭOV指令微程序
（1）
０8
MＯＶ指令微程序
（2）
０9
MOV指令微程序（3）
0A
0B
0Ｃ
0Ｄ
。
。
。
。
。
。
３．５模型机中的时序安排设计
ﻩ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，微地址采用计数增量方式,所以可确定模型机中时序单元中所产生的每一拍的作用。
ﻩ在本实验中为了让实验者更好的观察实验的各个中间过程中个寄存器的值，由监控单元产生一个PLS－O的信号来控制时序产生（如图２-9－2）。
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周期,为不同的寄存器提供工作脉冲。
这4个脉冲信号分别是:
ﻩPLＳ1：
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。
PＬS２：
PC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。
ﻩPＬＳ３：
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。
3．6指令执行流程设计
ﻩ根据模型机整机逻辑框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。
而一条指令共需要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包含的微操作的必要性和合理性,还应知道总线IAO、IDB、OAB、ODＢ仅是传输信息的通路，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。
以下描述取指微指令执行过程:
ﻩ在模型机处于停机状态时,模型机的微地址寄存器被清零,微指令琐存器输出无效（为高）。
在处于停机状态时,脉冲PLS1对微地址寄存器（74LＳ161）无效,微地址寄存器保持为零。
脉冲PLＳ2对PＣ计数器无效,同时ＰＬS2把HALT＝１打入启停单元中的运行状态寄存器（74LS74）中,把模型机置为运行状态,使微程序锁存器输出有效。
PLS3把微程序存储器0０Ｈ单元（０0H单元存放着取指微指令）中的内容打入微指令锁存器中并且输出取指微指令。
ＰLS４把从程序存储器中读出的数据打入指令寄存器中。
ﻩ当模型机处于运行状态时,脉冲PＬS1微地址寄存器（74LS１61）加1,脉冲PＬＳ2对PＣ计数器加1,PLS3把微程序存储器中的微指令打入微指令锁存器并且输出。
PLS4把当前总线上的数据打入当前微指令所选通的寄存器。
4．程序调试
源程序、程序的指令代码及相应的微程序如下表：
内存地址
源程序
指令代码
微程序
00H
MＯVＡ，#５５H
5FＨ
位：
23 ２2 21 20 19 1８…０
微指令：
ＭLＤ ＷM ＲMＥIＲ1 EIR2ＩＲ2-O…S0
有效值:
１ １11 ０ 1…1
0１Ｈ
５５H
0２Ｈ
MOVR0,＃２２H
6CH
位:
232221 20 19 1８…0
微指令：
MLDWＭＲＭEIR１EIR2IR２－O… S0
有效值：
110１1 1 … 1
03Ｈ
22H
04Ｈ
SUＢＡ，R0
07Ｈ
位：
23２22120 １9 1８… 0
微指令:
MLＤWMRM EIＲ1EIR2IR2-Ｏ… Ｓ0
有效值:
1 １ １ １1 1… 1
05H
MOＶＲ1,#1１H
１ＣＨ
位:
2３ 2221 20１9 １8… 0
微指令:
MＬD WＭRMEIＲ1EIR2IR2－O… S0
有效值:
0 1０0 １1…1
０6H
11H
07H
ＡDDＡ，R１
0４H
位:
232221 ２0 1918… 0
微指令：
MLＤＷMRMEIR1EIR２IR2-O… S0
有效值:
1 111 1 1… 1
0８H
MＯＶR2，#1０H
１DH
位：
２３222１2０1918…０
微指令：
ＭLＤ ＷMRMEIR1EIR２IＲ2－O…Ｓ０
有效值:
01001 1…1
０９H
０AH
ADＤA,R2
05H
位：
２3 22 2１2０ １9 18… 0
微指令:
MLDWMRＭEIR１ＥIＲ2 IR２-Ｏ…S0
有效值：
11１ １ 1 1 …1
0ＢH
STＡ10
8ＦH
位：
2322 2120 19 1８…0
微指令:
MLD WMRＭEIR１EIR2 IR2-O… S0
有效值:
1１0 10 1 … 1
0CH
10H
0DＨ
HALT
FFH
位：
23 22 21２01918… 0
微指令：
MLDWM RMEIR1ＥIR２IR2-Ｏ… S0
有效值:
11111 1… １
5.上机调试过程
本次实验用的软件是ＨＫＣＰT,我将上面编好的程序输入电脑,在这个软件中进行调试并观看程序单步运行的结果，用截图工具将程序的微单步过程各个结构图以及时序截了下来，以下就是整个程序的运行过程：
6．总结
通过本次的课程设计,我进一步融会贯通了教材上的内容,掌握了计算机各功能模块的工作原理、相互联系和来龙去脉,完整地建立了计算机的整机概念。
自己的学习热情和主动性得到了空前提高，独力工作能力也得到了很大的提高。
培养成了严谨的科研作风，创造性地完成了模型机的部件及系统的分析、设计、组装和调试，加深了自己对计算机组成原理及系统结构课程的内容的理解和掌握。
当然，此次的模型机设计也有很大的不足之处,比如：
指令系统的规模太小，
有很多有用的指令没有进行编码设计导致功能太简单,要编较难较复杂的程序还不太可能。
另外此次的课程设计也暴露了一个很大的问题,那就是:
我们的动手能力太差了，很多在书本上觉得很简单的问题等到自己动手去做时才发现原来还有很多知识我们并不太清楚，所以今后要加强我们的动手能力。
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