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1、课程设计报告课程名称：计算机组成原理 设计题目：复杂模型机 专 业：xxxxxx 姓 名：xx 学 号：xxxxx 同 组 人：xxxxxx 指导教师：xx 二零一六年一月目 录1、课程设计任务书31.1 设计任务31.2 性能指标和设计要求32、本设计模型机体系结构及功能32.1 模型机的体系结构32.2 模型机所具有的基本功能43、模型机硬件设计43.1 模型机总体结构设计43.2 模型机的硬件实现53.3 模型机数据通路的设计54、模型机机器指令系统设计64.1 指令设计64.2 指令格式64.3 指令系统85、模型机控制器微程序设计95.1 机器指令周期分析95.2 模型机硬件译码电路
2、95.3 微程序流程图设计115.4 微指令格式设计125.5 微指令编码设计125.6微指令地址及控存存储器设计136、模型机功能测试146.1 机器指令功能调试146.2整机功能测试177、结论188、致谢189、附录181、附录一182、附录二191、课程设计任务书1.1 设计任务 1、基本模型机的设计与实现。 2、在基本模型机的基础上设计一台复杂模型机。1.2 性能指标和设计要求 利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，设计基于微程序控制器的模型计算机，包括设计相应的硬件平台、机器指令系统和微指令等。设计环境为TDCMA 计算机组成原理教学实验箱、微机，联机软件等。同时设计好基于
3、模型机的测试验证程序，并在设计好的硬件平台上调试通过，以验证所设计的模型机功能的可行性与可靠性。在设计完成的前提下，撰写出符合要求的课程设计说明书并通过设计答辩。1.基本模型机设计与实现设计一台简单模型机，在具备基本必要的硬件平台的基础上，进一步要求其机器指令系统至少要包括五条不同类型指令：如一条输入指令（假设助记符为IN），一条加法指令（假设助记符为ADD），一条输出指令（假设助记符为OUT）、一条无条件转移指令（假设助记符为JMP）和一条停机指令（假设助记符为HLT）；在设计好的模型机基础上，设计一个进行两个数求和运算的测试验证程序，用以验证模型机功能的可行性与可靠性。2. 在任务1 的基
4、础上，增加机器指令系统的功能，设计具有不少于10 条机器指令的复杂指令系统模型机，包含算术逻辑指令、访问内存指令、控制转移指令、输入输出指令、停机指等令。数据的寻址方式采用寄存器直接寻址。利用设计的复杂模型机实现两个数的减法运算并判断差得正负，差为正数则输出A，差为负数则输出B，差为零则输出C。在设计好的模型机基础上，进一步设计一个测试验证程序，验证模型机功能的可行性与可靠性。3、基本模型机和复杂模型机的CPU 数据字长为8 位，采用定点补码表示。指令字长为8 的整数倍。微指令字长为24 位。2、本设计模型机体系结构及功能2.1 模型机的体系结构 依据计算机系统的层次结构，本次设计的模型机可简
5、化为图1 所示的四层结构。我们需要对每一个层次进行设计和实现。 对于最上层的应用程序，本次设计需要设计一个应用程序的测试实例来验证下面三层构成的模型机的功能可行性与可靠性。 2.2 模型机所具有的基本功能 本模型机共设计三大类指令，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。数据转移类指令包含访问内存指令、输入输出指令等，控制类指令包括停机指令等。实现的功能如：两寄存器的内容相加减，寄存器中数据的移位，外设与寄存器内容交换等多种功能。 3、模型机硬件设计 3.1 模型机总体结构设计 总体结构设计包括确定模型机应具有的基本功能部件以及
6、它们之间的数据通路。 根据课堂中所掌握的知识我们可以知道，计算机是由五大部件组成，包括： 运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备。所以我们在设计硬件时基于所给出的实验平台选出我们所需要的五大部件（其中包括一些必要的寄存器件）。根据课堂上掌握的只是我们可以知道计算机中总线类型分为：数据总线，地址总线，控制总线。因此我们在连接线路时脱离不了这三大类型相应的信号（数据信号，地址信号，控制信号）。并且我们根据冯诺依曼机的特点可以知道，计算机的指令在内存中按照其执行顺序存放，并且对于微程序控制器的计算机，控存中必须有固化的微指令。 3.2 模型机的硬件实现 在本次设计中，硬件的实现基于已给出的实验平
7、台，并根据我们所设计的模型机选择具有控制数据通路开关的必须元器件，通过接插线（各种连线等）将具有控制数据通路的相关引脚进行器件连接，组成所设计的模型机硬件系统（物理机）。 3.3 模型机数据通路的设计 在上面总体结构和硬件实现的基础上，我们组根据各部件之间的逻辑组成关系并综合考虑计算机的速率以及可靠性等各方面因素，设计出合理的数据通路结构。数据通路的不同，执行指令所需要的逻辑操作也就不同，计算机的结构也就不同。在此基础上，在后面的微指令设计阶段，就可以依据数据通路关系确定模型机工作过程中的所有微操作，并进一步确定微指令格式中的相应微命令。本模型机的硬件实现电路如下图所示： 图中MC单元（控制器
8、）与其右侧的三个单元之间以及ALU®单元间 的连线均为本模型机中数据通路的控制开关的引脚，控制相关微命令从而执行对应的微操作。本模型机的数据通路框图：4、模型机机器指令系统设计4.1 指令设计模型机设计三大类指令共十六条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含两种运算，算术运算、逻辑运算，设计有5条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR，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、O
9、UT、MOV、LDI、LAD、 STA、PUSH、POP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。4.2 指令格式所有单字节指令(ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT、PUSH 、MOV)格式如下：7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD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00011011ROR1R2R3 IN和 OUT的指令格式为：7 6 5 43 2 (1)1 0 (1)70 (2)OP-CODERSRDP 其中括号1表示
10、第一个字节，2表示第二个字节，P为I/O端口号，占用一个字节，并规定：A7 A6选 定地 址 空 间00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11IOY3C0-FF其中，A7和A6是地址总线的高2位，I/O地址译码图如下： PUSH的指令格式为：7 6 5 43 2 (1)1 0 (1)OP-CODERSRP（作为栈指针的寄存器SP）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：7 6 5 4 (1
11、)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODERSRDdataLAD、STA、JMP和 BZC指令格式如下:7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODEMRDD 其中 M为寻址模式，具体见表 5-3-2，以 R2作为变址寄存器 RI:寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(RI)+DE=(PC)+D直接寻址间接寻址RI变址寻址相对寻址POP的指令格式如下：7 6 5 4 (1)3 2 (1)1 0 (1)70（2）OP-CODEXXRP（作为栈指针的寄存器SP）取最后两位作为RD4.3 指令系统汇编符号 指令的格式 功能MOV RD，
12、RSADD RD，RSSUB RD，RSAND RD，RSOR RD，RSRR RD，RSINC RDPUSH RS0100 RS RD 0000RSRD1000RSRD0001RSRD1001RSRD1010RSRD0111* RD1011RSRP（作 为栈顶指针SP） RS RDRD+RS RDRD-RS RDRDRSRDRDRSRDRS右循环RDRD+1RD 将指定寄存器中的内容压入栈中LAD M D,RDSTA M D,RSJMP M DBZC M, D1100 M RD D 1101 M RDD1110M*D1111M*DERDRDEEPC 当FC或FZ=1 EPCIN RD,POUT P,RS POP RD0010*RDP0011RS*P0011*RPRD最后 两位 P RD RSP 将栈内数据弹出至指定寄存器HALT0101 * * 停机5、模型机控制器微程序设计5.1 机器指令周期分析 根据课堂所掌握的知识，我们可以知道机器指令周期可以分为两部分：取指周期和执行周期。在本模型机中不同的机器指令取指周期都是相同的，都需要经过两个CPU周期和P测试。其中，两个CPU周期在数
