计算机组成原理_复杂模型课程设计

学号：*********** 成绩

计算机组成原理课程设计报告题目模型计算机及其设计

学院电信学院

专业计算机网络技术

班级网络专****

学生****

指导教师****

设计时间2010/12/20~26

目录

一、概述-------------------------------------------------------------------------------- 2

一）设计主要完成的任务----------------------------------------------------- 2 二）解决的主要问题---------------------------------------------------------- 2

1、确定设计目标----------------------------------------------------------- 2

2、确定指令系统----------------------------------------------------------- 2

3、总体结构与数据通路-------------------------------------------------- 2

4、设计指令执行流程----------------------------------------------------- 2

5、确定微程序地址-------------------------------------------------------- 2

6、写指机器指令----------------------------------------------------------- 2

7、组装、调试--------------------------------------------------------------- 2

二、设计的基本概念和原理-------------------------------------------------------- 3

一）设计的基本概念---------------------------------------------------------- 3 二）设计的原理----------------------------------------------------------------- 3

1、数据格式----------------------------------------------------------------- 3

2、指令格式----------------------------------------------------------------- 3

3、指令系统----------------------------------------------------------------- 4

三、总体设计-------------------------------------------------------------------------- 5

一）实现的方法---------------------------------------------------------------- 5

1、微程序流程图----------------------------------------------------------- 5

2、微地址------------------------------------------------------------------- 7

二）主要技术路线-------------------------------------------------------------- 7 四、详细设计--------------------------------------------------------------------------- 8

一）设计中的主要部件-------------------------------------------------------- 8 二）指令的基本流程--------------------------------------------------------- 10 五、完成的情况---------------------------------------------------------------------- 10

一）设计的程序--------------------------------------------------------------- 11 二）设计的结果--------------------------------------------------------------- 11 六、简要的使用说明---------------------------------------------------------------- 16

一）程序说明------------------------------------------------------------------ 16 二）步骤说明------------------------------------------------------------------ 16

七、总结------------------------------------------------------------------------------- 17

八、参考文献------------------------------------------------------------------------- 18

模型计算机及其设计

一、概述

一）设计主要完成的任务

利用实验室的TDN-CM++教学实验箱，组建一个较为复杂的模型计算机。并验证其能够正常运行。

二）解决的主要问题

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。

3、总体结构与数据通路

总体结构设计包含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送路径，以及实现这些传送所需要的微命令。

对于部件设置，比如要确定运算器部件采用什么结构，控制器采用微程序控制还是硬布线控制等。

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，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的执行流程。

根据指令的复杂程度，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个微指令中，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，确定每条微程序地址及分支转移地址。

6、写指机器指令

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，才能保证整机的运行正确。

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。

二、 设计的基本概念和原理

一） 设计的基本概念

掌握计算机系统各模块的工作原理及相互间的联系，熟悉计算机内部的数据流向，清晰建立计算机整机概念。并在基本模型机的基础上，进一步由浅入深，熟练和掌握带移位运算模型机设计、复杂模型机设计、可重构原理计算机组成等，通过学生自己动手和实践，巩固、加强基本概念的理解，拓展对疑难问题的思路，将所学的知识综合运用，适应各类计算机开发和应用的需要，为深入学习计算机后续课程打下良好基础。通过一个复杂模型机的设计实验来进行实际的计算机设计和实现，然后用CPLD 来实现一个CPU 中的大部分功能的设计实验。

二） 设计的原理

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：

2、 指令格式

模型机设计的四大类指令一共十六条，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：

其中，OP －CODE 为操作码，rs 为源寄存器，rd 为目的寄存器，并规定：

9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1

2)

访存指令及转移指令

模型机设计2条访存指令――存数（STA ）和取数（LDA ），2条转移指令――无条件转移（JMP ）和结果为零或有进位转移指令（BZC ），这

4条指令长度为2个字节，其指令格式为：

其中，OP －CODE 为操作码，rd 为目的寄存器地址（LDA 、STA 指令使用）。D 为偏移量（正负均可），M 为寻址模式，其定义如下：

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：

其中，addr

＝01时，选中“INPUT DEVICE ”中的开关组作为输入设备，addr ＝10时，选中“OUTPUT DEVICE ”中的数码块作为输出设备。

4)

停机指令

指令格式如下：

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，表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表1

三、总体设计

一）实现的方法

1、微程序流程图

根据机器指令系统的要求，设计微程序流程图如下：

图1：微程序流程图

2、微地址

根据机器指令系统的要求，确定微地址如下：微程序：

$M00018108 $M0101ED82 $M0200C050 $M0300A004 $M0400E0A0 $M0500E006 $M0600A007 $M0700E0A0 $M0801ED8A $M0901ED8C $M0A00A03B $M0B018001 $M0C00203C $M0D00A00E $M0E01B60F $M0F95EA25 $M1001ED83 $M1101ED85 $M1201ED8D $M1301EDA6 $M14001001 $M15030401 $M16018016 $M173D9A01 $M18019201 $M1901A22A $M1A01B22C $M1B01A232 $M1C01A233 $M1D01A236 $M1E318237 $M1F318239 $M20009001 $M21028401 $M2205DB81 $M230180E4 $M24018001 $M2595AAA0 $M2600A027 $M2701BC28 $M2895EA29 $M2995AAA0 $M2A01B42B $M2B959B41 $M2C01A42D $M2D65AB6E $M2E0D9A01 $M2F01AA30 $M300D8171 $M31959B41 $M32019A01 $M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41 $M360D9A01 $M37298838 $M38019801 $M3919883A $M3A019801 $M3B070A08 $M3C068A09

二）主要技术路线

本模型机的数据通路框图如图所示。

图2：数据通路图

其中ALU 为运算器、DR1、DR2 为工作暂存器、R0 为通用寄存器、AR 为地址寄存器、PC 为程序计数器、IR 为指令寄存器、TIME 为时序发生器、MEM 为程序存储器、INPUT 为输入设备、OUTPUT 为输出设备、MC 为微程序控制器。

四、详细设计

一）设计中的主要部件

本设计中主要用了MICRO-CONTROLLER、ALU UNIT、MAIN MEM、BUS UNIT、EXT BUS、INPUT DEVICE、OUTPUT DEVICE等部件。MICRO-CONTROLLER是相当于控制台，ALU UNIT是8位的运算器，MAIN MEM 是存储器，BUS UNIT是数据总线，EXT BUS是系统外部总线，INPUT DEVICE 和OUTPUT DEVICE是输入/输出设备。下面说这些部件的主要组成：

1、MICRO-CONTROLLER（如图所示）

2、ALU UNIT

ALU UNIT是由两片74LS181芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2

（用锁存器74LS273实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1或DR2

中，则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2须为高电平。当T4脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245实现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALU-B 置低电平。否则输出高阻态。

3、MAIN MEM

本设计中的静态存储器由一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0～AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。因地址寄存器为8位，所以接入6116的地址为A7～A0，而高三位A8～A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。本实验中将OE常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。

4、BUS UNIT

总线数据显示灯（在BUS UNIT单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。控制信号中除T4为脉冲信号，其它均为电平信号。

5、INPUT DEVICE/OUTPUT DEVICE

数据输入单元(实验板上印有INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。

OUTPUT DEVICE主要由LED显示器组成，由此单元内的D0～D7接到系统外部总路线上进行传输数据。

二）指令的基本流程

五、完成的情况

程序设计完成后，进行对其进行单步微指令跟踪。以下是系统初始时及系统取

指令与执行指令单步跟踪的过程：

1、 这是初始时的（所有的器件内的数据皆为FF ）

2、 PC 清0（使得系统从00H 单元开始运行）

3、IN R2

（以上这两个步骤是系统取指令的过程——所以指令都同样的方式被取指）

4、COM R2

5、INC R2

6、CLR R1

7、RLC R1,R0

8、LDA M,D,R1(注意,这个过程还有一个在07单元内取数的过程)

9、OUT R0

10、ST A M,R1,D(这个过程,是连续取两条指令的)

11、MOV R0,R1

12、ADC R2,R1

13、BZC M,D

(此上图是判断还没有循环到3次,不进行跳转)

(此上图是判断循环到了3次,,把地址传到PC内)

14、JMP M,D

(此上图是判断还没有循环到3次)

15、OUT R2

六、简要的使用说明

一）程序说明

本设计的程序主要实现循环3次，并在OUTPUT UNIT上输出0～2。

实现其目标主要用BZC M,D和JMP M,D这两条。BZC M,D此指令有判断CY 是否为1，若为1则会跳转指定的地址内；BZC M,D这指令执行完后，其执行的结果没有把地址赋给PC，则执行JMP M,D此指令。总之，BZC M,D就是实现循环3次后就跳转的功能。

JMP M,D则实现对没有循环3次时的跳转。

本设计的程序有一个输入，其输入R2。R2的输入的数是循环的次数，若想循环4次或其它次数自行修改（即在程序执行时，将INPUT DEVICE的输入端置上自己所要的数即可达到修改）。

二）步骤说明

1、模型机操作前的准备工作

按图3所示（此设计第19页）的线路接线，还要使用通讯电缆将实验系统的串行接口与PC微机的串行接口相连接，并将实验系统的电源线接到电源插座中。然后启动PC微机，进入Windows系统，安装本设备提供的应用软件CMPP。（安装方法及软件使用可见用户手册）。

2、模型计算机的运行操作

1）打开实验系统的电源开关，点击图标CMPP，运行软件。

2）未联机正常，也可以进入软件界面，但是所有的菜单里的功能全是灰色不可用（除“文件”及“端口”菜单），且指令区窗口中的数据也全以星号显示。本软件的默认串口为1号串口，若通讯电缆连接到2号串口上，可进入“【端口】”菜单，选择2号串口，然后进行“【端口】-【端口测试】，若还不正常，请确保打开系统电源及检查通讯电缆的连接。具体”排除故障见《使用手册》。

3）进入“【转储】--【转载】”，选择自己的程序“ZP.TXT”,点击“打开”后即进行装载。此文件包含有上述设计的模型机要执行的机器指令程序及定义该机器指令系统的微程序。可从“【文件】—【打开】”来打开此文件，可查看模型计算机

操作的程序及其微程序。

4）装载完成后，选择“【运行】-【通路图】-【复杂模型机】”可打开一个对应的数据通路图。

5）在执行指令之前，要将实验系统右下角的CLR 清零开关向上拨到0位再拨回1位，以将程序计数器和微地址寄存器清为零，使得程序可从零地址开始运行。选择“【运行】－【单步微指令】”功能，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面中显示动态数据流及微地址等的变化，仔细观察运行过程，则可了解并掌握计算机的工作过程。

6）每按动一次“【运行】—【单步机器指令】”，则单步执行一条机器指令。一条机器指令对应一段微程序，每执行一条微指令时，计算机同时显示数据流，执行完这条机器指令对应的所有微指令后则自动停止。此时可以再继续单步执行下一条机器指令。当模型计算机执行完一条指令后，PC微机则根据指令的执行过程，在屏幕上显示出其数据流，图中各部件的有效控制信号则用高亮显示，并将下一条微指令代码显示在下方。这样就可以形象地看到一条指令的执行过程。

“【运行】—【单步微指令】”的功能是单步执行一条微指令，同时显示其数据流。

“【运行】—【连续运行】”，则连续运行全部程序，同时连续显示整个数据流。当按动。

“【运行】—【停止】”时才会停止执行，但不是立即停止，只有当一条机器指令运行完后才会停止。

7）单步执行机器指令，观察对应一条机器指令的一系列微操作的运行过程。

七、总结

本课程设计让我受益良多。

在未正式编写程序时，我首先看了此次设计所提供的指令及其指令格式。

本次设计让我重温了实验课时所做的《基本模型实验》，加深了对机器指令的认识。本次设计主要采用机器指令进行编写，但一开始对机器指令不知道如何理解，经过老师与同学的指导，明白到机器指令是CPU能直接识别并执行的指令，它的表

现形式是二进制编码。机器指令通常由操作码和操作数两部分组成，操作码指出该指令所要完成的操作，即指令的功能，操作数指出参与运算的对象，以及运算结果所存放的位置等。其格式如下表：

编写时，主要是把机器指令这一部分编写好。把指令格式弄明白后，接下来就编写了。

指令助记符号的编写比较容易，一个程序写下来就不太明白如何把这些指令助记符号写成机器指令代码了。经过一轮的揣摩，指令格式根据表1所示，就其指令助记符号写成二进制的格令格式，再将其化成十六进制。接下来又有一个问题了，访问指令及转移指令有16位二进制码，而本次设计的机器指令规定是机器指令代码是8位二进制码，那么如何编写。后来这个比较容易解决，经过同学的指导，知道是把这些指令写成两条机器指令就可以了。

以上这些问题解决后，最令人头疼的是如何使用跳转指令，如何达到我的循环3次的程序。

根据表1所示，BZC的指令是要判断CY为1才可跳转的，那么我利用这一点实现我的判断跳转（循环3次后跳转），详细的说明在此设计报告的第16页。

而BZC和JMP这两条跳转指令的执行指令，经过多次的观察，才比较明白其中指令的走向。系统经过取指令将BZC的第一条机器指令经过译码，知道下一条指令是存放转向的地址，连续取第二条指令，并将地址内的数据送到ALU内的，再将数据送到AR（即地址寄存器），后经过判断若CY为1则把此数据送到PC内，若CY 不为1则跳转进行下条指令的取指令过程。JMP的过程只是没有判断那个部分，其它走向基本一样。

八、参考文献

【1】《计算机组成原理与系统结构实验教程》

【2】《计算机组成原理第四版》主编：白中英2008.1科学出版社

图3