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计算机组成原理课程设计报告复杂模型机

计算机组成原理课程设计报告

复杂模型机的设计和调试

复杂模型机的设计和实现

一、课程设计目的

本课程设计是《计算机组成原理》课程结束以后开设的大型实践性教学环节。

通过本课程设计，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对微程序控制器的理解，进一步巩固所学的理论知识，并提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；锻炼计算机硬件的设计能力、调试能力；培养严谨的科学实验作风和良好的工程素质，为今后的工作打下基础。

二、实验设备

ZY15CompSys12BB计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、设计和调试任务

1．按给定的指令格式和指令系统功能要求，用所提供的器件设计一台微程序控制器控制的模型计算机。

2．根据设计图，在通用实验台上进行组装，并调试成功。

四、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、访问存储器及转移指令和停机指令。

（A）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：

D7D6D5D4

D3D2

D1D0

OP-CODE

其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：

选中的寄存器（Rs或Rd）

寄存器的编码

（B）访存指令及转移指令

模型机设计2条访问指令，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）。

其格式如下：

D7D6

D5D4

D3D2

D1D0

D7····D0

OP-CODE

其中，OP-CODE为操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量（正负均可），M为寻址方式，其定义如下：

寻址方式

有效地址

说明

E=D

直接寻址

E=（D）

间接寻址

E=（RI）+D

RI变址寻址

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。

（C）I/O指令

输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：

D7D6D5D4

D3D2

D1D0

OP-CODE

addr

其中，addr=01时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。

（D）停机指令

这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：

D7D6D5D4

D3D2

D1D0

0110

五、总体设计

（1）指令系统

本模型机共有16条基本指令。

其中，算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。

表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表1复杂模型机指令系统

序号

汇编符号

指令格式

功能说明

CLRRd

011100Rd

0→Rd

MOVRS,Rd

1000RSRd

RS→Rd

ADCRS,Rd

1001RSRd

RS＋Rd＋Cy→Rd

SBCRS,Rd

1010RSRd

RS－Rd－Cy→Rd

INCRd

1011--Rd

Rd＋1→Rd

ANDRS,Rd

1100RSRd

RS∧Rd　→Rd

COMRd

110100Rd

Rd　→Rd

RRCRS,Rd

1110RSRd

RS带进位右循环一位，RS→Rd

RLCRS,Rd

1111RSRd

RS带进位左循环一位，RS→Rd

LDAM,D,Rd

00M00Rd，D

E→Rd

STAM,D,Rd

00M01Rd，D

Rd→E

JMPM,D

00M1000，D

E→PC

BZCM,D

00M1100，D

当CY=1或ZI=1时，E→PC

INaddr,Rd

010001Rd

addr→Rd

OUTaddr,Rd

010110Rd

Rd→addr

HALT

01100000

停机

（2）微指令格式

表2复杂模型机微指令结构图

微程序

控制信号

M17

M16

uA5

uA4

uA3

uA2

uA1

uA0

A字段

B字段

P字段

控制信号

LDRI

RS_G

LDDR1

RD_G

LDDR2

RI_G

LDIR

299_G

LOAD

ALU_G

LDAR

PC_G

LDPC

其中uA5~uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。

P字段中的P1~P4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为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。

具体来说，P1测试用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3~uA0）和指令寄存器高四位（IR7~IR4）相或得到各路分支；P2测试用下址低2位（uA1~uA0）和指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转移，它用下址的uA4和（ZI+CY）相或得到各路分支；

P4测试用于控制台操作，它用下址低2位（uA1~uA0）和SWB、SWA相或得到各路分支。

在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。

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_G、RD_G、RI_G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的选通译码。

三字段中的其他位类似和此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。

（3）微程序流程图

本模型机的数据通路如图1所示。

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2所示。

图1复杂模型机的数据通路图

微地址

S3~CN

M17M16

uA5~uA0

000000

000

100

010000

000000

110

000010

000000

100

000

001

100000

000000

010

000

011110

000000

110

000

010

000100

000000

110

000

010

110000

000000

010

000

110001

000000

110

000

010

000100

000000

110

011101

000000

110

011111

000000

010

000

110010

000000

000

000001

000000

010

000

011000

000000

010

000

110011

000000

011

000

110100

100101

110

101

000

111100

000000

110

000011

000000

110

000101

000000

110

001101

000000

110

110101

000000

001

000

000001

000000

000

010

000

000001

000000

000

100110

001111

001

101

000

000001

000000

001

000

000001

000000

010

001

000

111010

000000

011

001

000

000011

000000

010

000

001101

000000

010

001

000

001110

000000

010

000

111011

001100

000

001

000

011010

001100

000

001

000

011011

000000

001

000

000001

000000

000

010

001

000001

101

110

000001

000000

000

011

001001

000000

000

000001

100101

010

101

010

000100

000000

010

000

110111

000000

011

110

000

111000

100101

110

101

000

111001

100101

010

101

010

000100

000000

011

010

000

001010

100101

001

101

000001

000000

010

000

001100

011001

010

101

010101

000011

001

101

000

000001

000000

010

101

000

110000

000011

000

101

110001

100101

001

101

000001

000000

001

101

000

000001

000000

011

010

000

001111

000001

101

110

000001

101110

001

101

000001

000011

001

101

000

000001

001010

000

100

000

001011

000000

001

100

000

000001

000110

000

100

000

001011

000000

001

100

000

000001

000

101

000

010000

000001

000

101

000

010001

六、实验步骤

（1）按图3连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。

（2）编程

A.将控制台单元的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。

B.将控制台单元上的SP03置为STEP，SP04置为RUN状态。

C.用开关单元的二进制模拟开关设置微地址UA5~UA0。

D.在微控制器单元的开关LM24~LM01上设置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为1时灯亮，开关量为0时灯灭。

E.按动START键，启动时序电路，即将微代码写入到28C16的相应地址单元中。

F.重复C~E步骤，将表3的微代码写入28C16中。

（3）校验

A.将编程开关SP06设置为READ（校验）状态。

B.将实验板的SP03开关置为STEP状态，SP04开关置为RUN状态。

C.用二进制开关置好微地址μA5～μA0。

D.按动START键，启动时序电路，读出微代码．观察显示灯LM24～LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），检查读出的微代码是否和写入的相同。

如果不同，则将开关置于WRITE编程状态，重新执行

（2）即可

（4）写程序/运行程序

A.将控制台单元上的SP03置为STEP状态，SP04置为RUN状态，SP05置为NORM状态，SP06置为RUN状态。

B.拨动开关单元的总情开关CLR（1→0→1），微地址寄存器清0，程序计数器清0。

然后使开关单元的SWB、SWA开关设置为“01”，按动一次START，微地址显示灯显示“001001”，再按动一次START，微地址灯显示“001100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动两次START键后，即完成该条指令的写入。

若仔细阅读KWE的流程，就不难发现，机器指令的首地址总清后为00H，以后每个循环PC自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“001100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。

C.写完程序后须进行校验。

拨动总清开关CLR（1→0→1）后，微地址清零。

PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB，SWA为“00”，按动启动START，微地址灯将显示“001000”；再按START，微地址灯显示为“001010”；第3次按START，微地址灯显示为“111011”；再按START后，此时输出单元的数码管显示为该首地址中的内容。

不断按动START，以后每个循环PC会自动加1，可检查后续单元内容。

每次在微地址灯显示为“001000”时，是将当前地址中的机器指令写入到输出设备中显示。

（4）运行程序。

（A）单步运行程序

①使编程开关SP06处于RUN状态，SP03为STEP状态，SP04为RUN状态，SP05为NORM状态，开关单元的SWB，SWA为“11”。

②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。

③单步运行一条微指令，每按动一次START键，即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。

④当运行结束后，可检查运行结果是否和理论值一致。

（B）连续运行程序

①使编程开关SP06处于RUN状态，SP03为RUN状态，SP04为RUN状态，SP05为NORM状态，开关单元的SWB，SWA为“11”。

②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SP04拨至“STOP”时，系统停机。

③停机后，可检查运行结果是否和理论值一致。

七、测试程序

地址内容助记符说明

-------------------------------------------------------------------------------

0044IN输入41

0104STA[40H]41->[40H]

0240

0344IN输入40

0404STA[41H]40->[41H]

0541

0608JMP09H跳到09H执行

0709

0860HLAT停机

-------------------------------------

0910LDA[LDA[40H]]

0A40间址取到41H单元数

0B58OUT输出40

--------------------------------------

0C46IN输入20->RI

0D20LDA[RI+D]变址取40H单元数

0E20

0F58OUT输出41

------------------------------------

1030LDA[PC+D]相对寻址取41H单元数

112F

1258OUT输出40

------------------------------------

1344IN输入81

14F0RLC进位使CY灯灭

150CBZC有进位或为0时跳到18H执行

1618

1760HLAT停机

1800LDA[40H]取40H单元数

1940

1A58OUT输出41

-----------------------------------------------------------------------------

1B44IN输入80

1C58OUT输出80

1DB0INC加1

1E58OUT输出81

------------------------------------

1FD0COM取反

2058OUT输出7E

------------------------------------

2145IN输入0F

22C1AND

2359OUT输出0E

-------------------------------------

2481MOVRS->RD

2559OUT输出7E

-------------------------------------

2670CLR0->RS

2758OUT输出0

-------------------------------------

2844IN输入81

29F0RLC带进位循环左移,CY灯灭

2A58OUT输出3

2B45IN输入1

2C91ADC带进位加

2D59OUT输出5

-------------------------------------

2E44IN输入81

2FE0RRC带进位循环右移

3058OUT输出40,CY灯灭

3145IN输入1F

32A1SBC带进位减

3359OUT输出20

----------------------------------------------------------------------

（八）、课程设计总结

这次课程设计前前后后花了一周的时间，大部分时间花在了对设计题目的理解和分析之上。

刚开始接触题目的时候比较茫然，于是在实验五上下了一些功夫，基本了解试验设计的大致思路。

在设计过程中，我们屡次碰壁，但是我们坚持不懂就问，在自己的讨论和向别人的请教中，加深了理解，后来又由于自己分析的不周全，在P1测试是“或”还是“异或”犯了错误，而导致设计的流程中地址代码全部出错，我们不得不重新设计地址代码。

等等类似的问题还有很多，其实回头看看，在设计过程中多碰壁是好事。

其实这次设计不算顺利，虽然我和王继波最后顺利完成了设计任务，但是我觉得从团队的角度来说，一种顺利的合作，还说不上。

1）首先，作为团队，我们没有把各自的任务分配清楚，而是一起走步，我觉得这样遇到问题的时候容易产生依赖心理，也不容易调动每个人的积极性。

明确的分工是合作的必要因素，而遇到问题集体讨论才是发挥集体力量的时候。

2）其次，我觉得我们没有在设计初期对问题的分析还不够深入，而在后期在遇到问题的时候有点对自己的东西掌控不住的感觉。

我们基本上是走一步看一步，打个比方，把整个问题比作一棵树，我们在初期没有把整棵树进行遍历，以做到大致心中有数，而我们走的只是其中一枝，在遇到问题的时候在回过头找其他的树杈，却在岔路口徘徊。

3）总体上，我觉得我们比较乱，缺少条理性或者是规划。

我个人以前独自做课程设计的时候，都习惯先分析，再动手，而这次总体上不是这种风格。

也许这里面涉及到一个集体合作的融洽性问题，但是我倒觉得有个进行总体部署的“牵头人”比较好。

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