计算机组成原理课程设计报告重庆大学.docx

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计算机组成原理课程设计报告重庆大学

计算机组成原理课程设计报告

题目：

微程序设计

专业：

计算机科学与技术

班级：

指导老师：

一、摘要

二、设计要求

三、微程序控制器原理

四、总体设计

五、测试

六、结论

七、参考文献目录

八、个人总结

重庆大学本科学生课程设计任务书

课程设计题目

微程序设计

学院

计算机学院

专业

计算机科学与技术

年级

2008

已知参数和设计要求:

用微程序控制器实现以下指令功能：

交换指令：

xchgrmreg,addr；功能：

（reg）（addr），addr是8位二进制地址

加法指令：

addird,rs,imme；功能：

rd（rs）+imme

addmrd,rs,addr；功能：

rd（rs）+（addr）

带右移的加法运算：

addri,rj,n;ri（ri）+（rj）>>n，rj中内容不变

学生应完成的工作:

根据模型计算机的数据路径以及微程序控制器的工作原理，设计各指令格式以及编码，并实现各机器指令微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含以下指令的应用程序。

参考实验5.3、6.1。

上机调试并输出正确结果，给出完整的设计报告。

课程设计的工作计划:

任务下达日期　年月　日

完成日期年月日

指导教师（签名）

学生（签名）

（签名）

一、

摘要

利用CPU与复杂机设计实验中所学到的实验原理以及编程思想，硬件设备，

自拟编写指令的应用程序，用微程序控制器实现了一系列的指令功能。

完成了各指令的格式以及编码设计，实现了各机器指令微代码，形成具有一定功能的完整的应用程序。

在本设计中完成了，交换指令：

XCHGRMregaddr；加法指令：

ADDIrd,rs,imme；ADDMrd,rs,addr；带右移（n位）的加法运算：

ADDNri,rj,n。

关键词：

微程序控制器原理微指令编码机器指令微代码

指令格式设计流程图

二、设计要求

要求：

用微程序控制器实现以下指令功能（各类指令至少包括一条），设计各机器指令格式以及编码，并实现各机器指令功能的微代码，根据定义的机器指令，自拟编写包含以下机器指令的应用程序。

交换指令：

xchgrmreg,addr；功能：

（reg）（addr），addr是8位二进制地址

xchgmmaddr1,addr2；功能：

（addr1）（addr2），addr是8位二进制地址

加法指令：

addird,rs,imme；功能：

rd（rs）+imme

addmrd,rs,addr；功能：

rd（rs）+（addr）

带右移的加法运算：

addri,rj,n;ri（ri）+（rj）>>n，rj中内容不变

三、微程序控制器原理

下面讲述一下模型计算机的数据格式及指令系统。

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≤28－1。

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。

实验中我们将指令LDI、OR、RR分别替换为ADDI、ADDM、XECHAGE、ADDN，并对流程控制做相应的修改。

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3-1（在地址总线单元）。

图3-1I/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3-1所示：

表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，第一字节同前一样，第二字节为立即数。

7654

（1）

32

（1）

10

（1）

7-0

（2）

OP-CODE

RS

RD

data

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

7654

（1）

32

（1）

10

（1）

7-0

（2）

OP-CODE

RS

RD

data

其中M为寻址模式，具体见表3-2，以R2做为变址寄存器RI。

表3-2寻址方式

寻找模式M

有效地址E

地址空间

00

01

10

11

E=D

E=（D）

E=（RI）+D

E=（PC）+D

直接寻址

间接寻址

RI变址寻址

相对寻址

4．指令系统

本模型机共有15条基本指令，表3-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表3-3指令描述

四、总体设计

本模型机的数据通路框图如图4-1所示。

图4-1数据通路框图

和前面的实验相比，复杂模型机实验指令多，寻址方式多，只用一种测试已不能满足设计要求，为此指令译码电路需要重新设计。

如图4-2所示在IR单元的INS_DEC中实现。

图4-2指令译码原理图

本实验中要用到四个通用寄存器R3…R0，而对寄存器的选择是通过指令的低四位，为此还得设计一个寄存器译码电路，在IR单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现，如图4-3所示

图4-3寄存器译码原理图

根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图4-4所示（替换法，前后指令略去）。

NOP

00

PC—>AR

PC+1

M—>AR

01

02

P<1>

addI

M—>A

PC—>AR

PC+1

RS—>B

A+B—>RD

HLT

addM

INC

SUB

Xchgm

addN

NOP

PC—>AR

PC+1

M—>AR

M—>A

RS—>B

A+B—>RD

RD—>A

A+1—>RD

RD—>A

RS—>B

A-B—>RD

PC—>AR

PC+1

M—>AR

M—>A

RD—>M

A—>RD

RD—>A

RS—>B

A+B—>RD

PC—>AR

PC+1

M—>B

RD—>A

A>>N—>RD

01

01

01

01

01

01

35

35

30

34

36

37

38

39

3A

11

12

13

14

15

16

17

18

19

1A

20

21

22

23

27

26

25

24

29

28

图4-4微程序流程图

按照系统建议的微指令格式，见表4-1，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，见表4-2，并将二进制代码表转换为联机操作的十六进制格式文件。

表4-1微指令格式

表4-2微指令二进制代码表

地址

十六进制

高五位

S3-S0

A字段

B字段

C字段

MA5-MA0

00

000001

000000

0000

000

000

000

000001

01

006D43

00000

0000

110

110

101

000011

03

107070

00010

0000

111

000

001

110000

30

006D49

00000

0000

110

110

101

001001

08

106009

00010

0000

110

000

000

001001

09

083001

00011

0000

011

000

000

000001

11

101012

00010

0000

001

000

000

010010

12

002413

00000

0000

010

010

000

010011

13

04B201

00000

1001

011

001

000

000001

14

106015

00010

0000

110

000

000

010101

15

101016

00010

0000

001

000

000

010110

16

002417

00000

0000

010

010

000

010111

17

04B201

00000

1001

011

001

000

000001

18

200401

00100

0000

000

010

000

000001

19

06421A

00000

1100

100

001

000

011010

1A

06C201

00000

1101

100

001

000

000001

20

106021

00010

0000

110

000

000

100001

21

101022

00010

0000

001

000

000

100010

22

200623

00100

0000

000

011

000

100011

23

003201

00000

0000

011

001

000

000001

24

002425

00000

0000

010

010

000

100101

25

04B226

00000

1001

011

001

000

100110

26

006D67

00000

0000

110

110

101

100111

27

102028

00010

0000

010

000

000

100010

28

001629

00000

0000

001

011

000

101001

29

02B201

00000

0101

011

001

000