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1、. . . .计算机组成原理课程设计题 目： 计算机原理课程设计 学 院： 计算机科学与工程学院 专 业： 计算机科学与技术 姓 名： 孤狼 学 号： 1100310315 指导教师： 2014年03月 20 日. 学习参考 . . . .目录一.课程设计选题和完成内容2二、系统的总体设计22.1 嵌入式CISC模型机的数据通路框图22.2 系统的操作控制器的逻辑框图22.3模型机的指令格式32.4编写汇编源程序52.5最终机器码.5三、时序产生器5四、 微程序控制器的设计64.1设计微指令流程图64.2 设计微指令格式和微指令代码表84.3设计地址转移逻辑电路10五、单元电路设计105.1模
2、型机顶层电路设计.115.2模型机crom单元电路设计.12六、设计过程所遇到的问题及解决记录136.1JNS无法完成循环跳转.136.2 STO（ STO R2 (R0) ）存储位置每次都为00H.13七、测试及结果分析错误!未定义书签。八、心得体会总结16九、附录16 各个单元的电路设计或VHDL源文件. . . .一.课程设计选题和完成内容选题：本设计选择题目为A类第一题题目：设计一台嵌入式CISC模型计算机 采用定长CPU周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进行验证，机器语言源程序功能如下： A类（最高成绩为“优”）： 输入包含5个整数（有符号数）的数组M，输出所有
3、负数的平方和。（非卓越班） 输入包含5个整数（有符号数）的数组M，输出最大负数的绝对值。（非卓越班） 输入包含10个整数（无符号数）的数组M，输出众数（出现次数最多的数）及其出现的次数。（卓越班） 输入包含10个整数（无符号数）的数组M，输出中位数。（卓越班） 说明：A类题目的嵌入式模型计算机内必须设计和使用RAM存储器读写数据，相应地需要设计对RAM存储器数据的读写指令，以及对RAM中数组操作必须的寄存器间接寻址方式等。 B类（最高成绩为“良”）： 输入5个整数（有符号数），输出所有负数的平方和。（非卓越班） 输入5个整数（有符号数），输出最大负数的绝对值。（非卓越班） 输入5个整数（有符号
4、数），输出它们的平均值，以及小于此平均值的数的个数。（卓越班） 要完成的内容：1. 完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图；2. 设计微程序控制器（CISC模型计算机）的逻辑结构框图； 3. 设计机器指令格式和指令系统； 4. 设计时序产生器电路； 5. 设计所有机器指令的微程序流程图； 6. 设计操作7. 的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件-图形描述文件）8. 对模型机中控制器单元；设计模型机的各个部件进行编程，并使之成为一个统一的整体，即形成顶层电路。9. 由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序；9. 根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语
5、言源程序，并将其设计 到模型机中的 ROM中去； 10. 使用EDA软件进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求；（其中要利用EDA软 件提供的波形编辑器，选择合适的输入输出信号及中间信号进行调试。）二、系统的总体设计2.1 嵌入式CISC模型机的数据通路框图 图2-12.2 系统的操作控制器的逻辑框图2.3模型机的指令格式这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。 此模型的系统共设计了共有10 条指令，分别为：IN，MOV，LAD，STO，INC，JNS, ADD，M
6、UL， OUT，TEST。2.3.1具体指令格式如下：微地址助记符号指令格式指令功能15-1211 109 87 -0000001MOV Rd,im0001xxRdim立即数imRd000010INT Rd0010xxRdxx将输入数据存到Rd寄存器000011STO Rs,(Rd)0011RsRdxx(Rs)-(Rd)将Rs的内容存到Rd地址中000100INC Rd0100xxRdxx(Rd)+1Rd锁存SF和ZF000101DEC Rd0101xxRdxx(Rd)-1Rd锁存SF和ZF000110TEST Rd0110xxRdxx 测试 (Rd)是否为负，锁存SF000111JNS ad
7、dr0111xxxxaddr若不为负数，则addrPC001000LAD(Rs)，Rd1000RsRdxx(Rs)-Rd 将Rs地址的内容读到Rd 001001MUL Rs Rd1001RsRdxx(Rs)*(Rd)-Rd001010ADD Rs,Rd1010RsRdaddr(Rs)+(Rd)-Rd001011OUT Rs1011Rsxxxx(Rs)OUTBUS 2.3.2对Rs和Rd的规定:Rs或Rd选定的寄存器0 0R00 1R1 1 0R2 1 1 R3 2.3.3模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下: 7 6 5 4 3 2 1 0符号位 尾数 2.4编写
8、汇编源程序我们要实现的功能是对连续输入的5个数据并存储到RAM的连续的存储单元中，然后再从RAM中将这5个数据依次读取出来并作判断是否为数，将5个数中所有的负数其求平方和，并对其结果进行显示等功能，从而得到一个简单的复杂指令模型机所实现的功能和结果/根据要求编写如下汇编源程序:MOV R0,00H ；数据存放在RAM中的地址MOV R1,4H ；计数 从4H（4）开始，到-1时结束 L1: INT R2 ；输入一个数到R2STO R2,(R0) ；将输入的数存放到RAM的（R0）地址INC R0 ；RAM地址指针+1DEC R1 ；计数-1TEST R1 ；测试计数是否到达5次，（R1）是否为
9、负数JNS L1 ；根据SF符号标志的判断，若不为负数，则跳转 MOV R0 00H ；当5个数输入存储完成后，重新初始化RAM指针MOV R1 4H ；重置计数 L2: LAD (R0) R2 ；将（R0）地址的数取出送到R2中TEST R2 ；测试取出的数是否为负数 JNS L3 ；若不为负数，则跳转到L3MUL R2,R2 ；若为负数，则求平方 ADD R2,R3 ；再求平方和，把结果送到R3 L3: INC R0 ；RAM地址+1 DEC R1 ；计数-1+TST R1 ；测试计数是否到达5次，（R1）是否为负数JNS L2 ；为正数，计数还不到5次，则跳转到L2 OUT R3 ；计数
10、到达5次，则将最后结果输出2.5 最终机器码为：地址助记符(汇编)机器代码作用00 MOV R0,00H0001000000000000数据存放在RAM中的地址00H开始01 MOV R1，4H0001000100000100计数 从4H（4）开始，到-1时结束02L1:INT R20010001000000000输入一个数到R203 STO R2,(R0)0011100000000000将输入的数存放到RAM的（R0）地址04 INC R00100000000000000RAM地址指针+105 DEC R10101000100000000计数-106 TEST R10110000100000
11、000测试计数是否到达5次，（R1）是否为负数，锁存SF07 JNS L1 0111000000000010根据SF符号标志的判断，若不为负数，则跳转08 MOV R0,00H0001000000000000当5个数输入存储完成后，重新初始化RAM指针09 MOV R1,4H0001000100000100重置计数0AL2:LAD(R0),R21000001000000000将（R0）地址的数取出送到R2中0B TEST R20110001000000000测试取出的数是否为负数，锁存SF0C JNS L30111000000001111若不为负数，则跳转到L30D MUL R2,R21001101000000000若为负数，则求平方0E ADD R2,R31010101100000000再求平方和，把结果送到R30FL3:INC R
