计算机组成原理实验报告-复杂模型机的组成与运行(共17页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上内蒙古师范大学计算机与信息工程学院计算机组成原理课程设计报告题目五:复杂模型机的组成与运行姓 名学 号班 级08计算机科学与技术汉师范班指导教师职称日 期2011年7月 15日 目 录题目五 复杂模型机的组成与程序运行1 任务描述 1.1 题目名称:复杂模型机的组成与程序运行1.2 要 求:基于TD-CMA 计算机组成原理教学实验系统,设计一个复杂计算机整机系统模型机,分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理,设计完成以下几条机器指令和相应的微程序,输入程序并运行。IN R0,00H ;从端口00H读入计数初值到R0LDI R2,50H ;读入数
2、据始地址LDI R1,00H ;累加和初值00H START: LAD 10,00H,R3 ;从MEM 读入数据送R3,变址寻址,偏移量为00H ADDR1,R3 ;累加求和INC RI ;变址寄存加1,指向下一数据LDI R3, 01H ;送立即数入R3SUB R0, R3 ;R0-R3 -R0,与上一条指令一起实现DEC R0BZC RESULT ;为0 则跳转JMP START ;跳转至STARTRESULT: OUT 40H,R1 ;和在OUT 单元显示HLT ;停机50H、51H、52H、53H、54H单元内容分别为02H、03H、04H、05H、06H。 1.3 实验目的:该实验通
3、过从端口00H读入一个计数初值,以该计数初值为基准从MEM的50H单元开始的连续的计数初值个数的累加和,最后将求得的累加和从端口40H输出显示。2 设计设备 实验设备:西安唐都科教仪器公司生产的TD-CMA 实验系统一套,PC机一台,数据连接导线若干,电源。3 设计原理和方法通过已经学过的计算机组成原理知识,在TD-CMA实验系统上设计一个复杂模型机。 3.1 设计原理3.1.1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: 0X281。3.1.2指令设计该复杂模型机设计包含运算类指令、控制类指令、数据传输类指令三大类指令。运
4、算类指令仅用到了算术运算,算术运算设计有3 条运算类指令,分别为:ADD(两寄存器值加法)、INC(寄存器值自加1)、SUB(两寄存器值减法)。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(停机)、JMP(无条件跳转到指定的指令地址)、BZC(判断寄存器内容是否为0,为0则跳转到指定的指令地址),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、LDI、LAD、STA 共5 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,均为双字节指令。 3.1.3指令格式 A、算术逻辑
5、运算指令格式如下格式如下7 6 5 4 3 21 0操作码RSRD 其中RS为源操作数寄存器,RD为目的操作数寄存器。并且规定了用两位二进制数来表示R0、R1、R2、R3寄存器,规定其表示方式如下表所示:RS或RD对应的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 B、I/O指令格式(IN和OUT指令)如下7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码RSRD I/O端口号 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, RS为源寄存器,RD 为目的寄存器, I/O 端口号占用一个字节。C、访问指令及控制转移指令格式如下: a、
6、 LDI 的指令格式如下,第一字节同前一样,第二字节为立即数。7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码RSRD Data b、LAD、STA、JMP 和BZC 指令格式如下表所示:7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码MRD D其中M 为寻址模式,具体见表3-1-1所示,以R2 做为变址寄存器RI。表3.1.1 寻址模式说明表寻址模式 M有效地址 E说 明00E = D直接寻址01E = (D)间接寻址10E = (RI) + DRI变址寻址11E = (PC) + D相对寻址D、停机指令格式如下
7、7 6 5 4 3 2 1 0 操作码* * *3.1.4指令系统本模型机共有 11 条基本指令,其中算术逻辑运算单元3条,分别为SUB、ADD、INC.控制转移指令两条,分别为JMP、BZC.输入输出指令两条,分别为IN和OUT。寻址数据转移指令两条,分别为LDI、LAD。停机指令一条,为HALT.表3-1-2 列出了各条指令的汇编符号、指令格式及指令功能说明。详细说明见表3.1.2。 表3.1.2 指令描述表3.1.2 指令描述3.2 设计依据该复杂模型机通过已经学过的计算机组成原理知识,根据提供的实验箱,设计出了相应的机器指令,根据机器指令,由各种译码电路分析各条机器指令所要完成的工作,
8、翻译分析得到相应的多条微程序指令,由微程序控制硬件及软件完成相应的操作。其中由P(1)、P(2)、p(3)测试得到相应的微程序入口,由微指令的低六位得到微指令的后继地址,一直到执行完所有的机器指令完成相应的工作,到停机指令为止。3.2.1 详细设计由于复杂模型机实验的指令较多,寻址方式也较复杂,仅采用一种测试是不能够满足要求的,因此参照实验手册上的指令译码电路设计了电路图,如图2二所示: 图二 指令译码原理图该复杂模型机实验涉及到四个通用寄存器R0、R1、R2、R3,对寄存器的选择通过对指令低四位进行测试,判断得到相应的寄存器号。如:涉及到寄存器R0,则可能在低两位或者低三、四位为0表示。该功
9、能寄存器译码电路,在IR 单元的REG_DEC(GAL16V8)中实现。译码电路如图三所示。 图三 寄存器译码原理图B 微指令格式根据机器指令系统要求,设计确定微地址。微指令格式如下所示:232221201918-1514-1211-98-65-0M32CNWRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段UA5-UA0 C 二进制代码表参照微指令流程图,将每条微指令代码化,译成二进制代码表(表3.1.3),并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。 表3.1.3 二进制代码表3.3.2实验操作A 复杂模型机系统实验连线图(见附录一) 该实验图是复杂模型机在根据设计的指令系统设计出来的(此处
10、借鉴了实验指导书的复杂模型机的实验连线图)。B 实验步骤在该复杂模型机实验中,我采用的是联机写入和校验的方式。1根据实验连线图(见附录二)正确连接电路。2联机写入和校验联机软件提供了微程序和机器程序下载功能,以代替手动读写微程序和机器程序,但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中,本次实验程序见代码清单,程序中分号;为注释符,分号后面的内容在下载时将被忽略掉。在软件界面上可以通过单步、单拍、运行、结束等按钮执行程序。记录运行结果。4 代码清单4.1微程序流图 图1 微程序流图微程序流程图说明了微指令执行过程中指令流和数据流的方向。能更具体地看到具体的指令流和数据流的起点
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