计算机组成原理 课程设计报告.doc

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1、 成绩： 计算机组成原理课程设计实验报告复杂模型机设计姓 名 _ 曾凯杨 班 级 _ 计算机102 学 号 _ 40 实验地点 _ 计算机实验室四楼 实验时间 _ 3月6日 指导教师 刘晶 一、 概述这次设计我们将完整设计一台模型计算机，通过一个复杂模型机设计实验来进行实际的计算机设计和实现，进一步建立整机的概念。通过实验使学生掌握计算机由哪些部件所组成，各部件间又是如何进行协调工作的。二、设计的基本概念和原理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

2、序控制。设计总体结构及机器指令、微指令。根据设计的接线图搭好模型机电路利用设计的指令编写程序并在机器上运行数据通路确定后，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。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

3、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。三、总体设计(1)在掌握部件单元电路实验的基础上进一步将其组成系统构造一台复杂模型计算机建立一台基本完整的整机。 (2)为其定义至少十条机器指令并编写相应的微程序通过联机调试观察计算机执行指令从取指令、指令译码、执行指令等过程中数据通路内数据的流动情况。（3）进一步掌握整机概念在总调试前，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

4、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四、详细设计实验设备实验设备实验设备实验设备 1.TDN-CM+或TDN-CN+教学实验系统一台，排线若干。 2. PC机一台。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：数据位数D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0用途符号尾数其中第7位为符号位，数值表示范围是：1X1。2. 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、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

5、器直接寻址，其格式如下：数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作码（OP-CODE）源寄存器（RS）目的寄存器（RD）规定：选中的寄存器（RS或RD）R0R1R2寄存器的编码000110算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表23。 （2）访存指令及转移指令模型机设计2条访存指令，即存数（STA）、取数（LD），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），指令格式为：数据位数D7 D6D5 D4D3 D2D1 D0D7D0用途00寻址模式M操作码OP-CODE目的寄存器编码RD位移量D其中，OPCODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LD、STA指

6、令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式M有效地址E说明D直接寻址(D)间接寻址(RI)+DRI变址寻址(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。（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：数据位数D7 D6 D5 D4D3 D2D1 D0用途操作码（OP-CODE）地址（addr）目的寄存器（RD） 其中，在IN 指令中，addr=01，选中“INPUT”中的开关组作为输入设备，在OUT指令中，addr=10时，表示选中“OUTPUT UNIT”中的数码块作为输出设备。（4）停机指令指令格式如下：数据位数D7

7、D6 D5 D4D3 D2D1 D0值01100000HALT指令，机器码为60H，用于实现停机操作。3. 指令系统 复杂模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。表2-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表2-3 复杂模型机指令系统助记符 指令格式 指令长度(字节数) 指令功能 第一字节 第二字节 CLR rd 01 10 00 rd 无 1 0RD MOV rs,rd 10 00 rs rd 无 1 RSRD ADC rs,rd 10 01 rs rd 无 1 RS + RD + cy RD SBC rs,rd

8、10 10 rs rd 无 1 RS - RD - cy RD INC rd 10 11rd 无 1 RD + 1RD AND rs,rd 11 00 rs rd 无 1 RS RD RD COM rd 11 01rd 无 1 RD RRC rs,rd 11 10 rs rd 无 1 RS带进位循环右移一位，然后RSRD RLC rs,rd 11 11 rs rd 无 1 RS带进位循环左移一位，然后rsRD LDA M,D,rd 00 M 00 rd D 2 有效数据E RD STA M,D,rd 00 M 01 rd D 2 RD有效地址E JMP M,D 00 M 10 00 D 2 有

9、效数据EPC BZC M,D 00 M 00 rd D 2 当CY=1或ZI=1时，有效数据EPC IN rd 01 00 01 rd 无 1 INPUT设备的数据RD OUT rd 01 01 10 rd 无 1 RDOUTPUT UNIT HALT 01 10 00 00 无 1 停机 五、完成的情况复杂模型机的数据通路框图如下图，根据机器指令系统要求，设计机器指令以及观察程序运行数据通路，实验使用微程序如下：$M $M0101ED82 $M0200C050 $M0300A004 $M0400E0A0 $M0500E006 $M0600A007 $M0700E0A0 $M0801ED8A

10、$M0901ED8C $M0A00A03B$M0B $M0C00203C $M0D00A00E $M0E01B60F $M0F95EA25 $M1001ED83 $M1101ED85 $M1201ED8D $M1301EDA6 $M $M$M $M173D9A01 $M $M1901A22A $M1A01B22C $M1B01A232 $M1C01A233 $M1D01A236 $M1E $M1F $M$M $M2205DB81 $ME4 $M $M2595AAA0 $M2600A027 $M2701BC28 $M2895EA29 $M2995AAA0 $M2A01B42B $M2B959B4

11、1$M2C01A42D $M2D05AB6E $M2E0DAA2F $M2F01AA30 $M300D8171 $M31959B41 $M32019A01 $M3301B435 $M3405DB81 $M35B99B41 $M360D9A01$M $M $MA $M3A $M3B070A08 $M3C068A09设计如下机器指令：$P0044 /IN$P01B0 /INC$P0245 /IN$P0382 /MOV$P0496 /ADC$P0506 /STA$P06A0 $P07A1 /SBC$P0800 /LDA$P09A0 $P0AC4 /AND$P0B58 /OUT$P0CDA /COM$

12、P0DE1 /RRC$P0EF8 /RLC$P0F58 /OUT$P100B /BZC$P110B$P1260 /HALT六、简要的使用说明联机运行程序时，进入软件界面，用联机软件的“转储-装载”功能讲对应的程序文件载入实验系统，选择“运行-通路图-复杂模型机”功能菜单打开相应动态数据通路图。按相应功能键即可联机运行监控、调试程序。七、总结 刚开始时接线错误，花了不少时间改正，而且在测试线路是否正确不一定要用软件的测试功能，可以结合自己编写的代码，看运行情况。比如我在实验中曾出现移位寄存器错误，这个错误没有提示哪个线接错，所以必须慢慢找，可这样很麻烦，我们可以编写一个关于移位的代码，在软件上看

13、运行情况，我发现执行RLC指令会变成RRC，然后我查看线路有无接反，果然有一处是接反了。学习微程序的设计很有难度，还好有一个例子参考。到设计机器指令步骤时，首先要熟悉内存，明白指令和数据在内存上存储都是等同地位的。这次课程设计让我对计算机整体运作有了进一步的理解。通过观察通路图的数据流动，可以直观地看出每一个微指令执行的顺序，多个微指令按序执行，便可完成机器指令的功能。计算机的所有操作都与程序计数器，指令寄存器密切相关。正是由他们调用各个部件，如通用寄存器、内存、cpu等，才完成了一个复杂计算机的基本功能。不过这次我们设计的模型机与实际还是相差甚远：例如流水线功能没有实现，运行速率当然大不如实际的计算机。八、参考文献1、计算机组成原理与系统结构试验教程；计算机组成原理 高等教育出版社