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1、计算机组成与结构项目指南项目一 汇编指令到机器代码的转换程序（汇编器）一、 项目目标1. 掌握汇编器的设计方法；2. 为项目四CPU设计提供测试工具。二、 项目条件1. Linux操作系统；2. Linux操作系统程序开发工具GCC，GDB。三、 项目准备1. 安装Linux操作系统；2. 如果发现Linux默认安装没有带GCC、GDB等编译开发工具，那么要下载安装编译开发工具；3. 回顾教材A.1，A.2节中关于汇编器的内容；4. 利用图书馆或互联网资源，了解GCC命令（例如：http:/ 利用图书馆或互联网资源，了解GDB工具（例如：http:/ 项目内容1. 假设有一个简单的CPU，它能
2、访问64KB的存储器（CPU有16位地址输出，8位数据输入和输出），内部有3个程序员可见的寄存器AC, R和Z ：程序员不可见的寄存器如下：当简单CPU启动时，所有寄存器都会被自动清零。简单CPU的指令集如下表所示：指令集表中 表示一个16位二进制地址（采用小端序保存）。因此LDAC, STAC, JUMP, JMPZ, JPNZ这5条指令都是3字节指令，其余指令为单字节指令。2. 请编写一个C程序，输入为该简单CPU的汇编指令序列（以文本文件形式提供），输出为该CPU的机器指令代码（以二进制文件形式保存）；3. 用该简单CPU指令集中的指令编写一个汇编指令序列“sum10”，完成计算从1加到
3、10的任务，并把结果保存到内存某个存储单元。以下为一段从1加到n的参考代码：可以根据以上代码的思路来完成sum10的编写（提示：可以把需要的常数10当作机器代码的一部分，也保存在二进制文件中可能需要增加数据伪指令。当机器代码装载到内存中时，该常数也被装入到某个内存单元，从而可以被LDAC指令按照地址读出）；4. 用所编写的汇编器将汇编指令序列“sum10”翻译成二进制机器代码，并保存为一个二进制文件，为项目二提供测试例子。五、 思考问题1. 汇编器的基本功能是什么，基本设计方法是什么；2. 符号表是什么，地址计数器是什么，单趟汇编和多趟汇编有何区别；3. 实际的汇编语言通常支持标号（label
4、），这有什么好处，应该怎么处理；4. 实际的汇编语言通常提供一些伪指令，其中包括定义数据的伪指令，它们的作用是什么；5. 本项目中，汇编器怎样设计，才能支持sum10的编写和翻译为二进制机器指令代码。六、 报告要求1. 项目报告需要有姓名，学号，班级，项目名称，项目目标，项目条件，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，项目总结等项目；2. 需求分析要描述汇编器实现的具体功能和要求，可接收输入的详细信息，可能产生的输出的详细信息；3. 设计方案有：（1）完成需求分析所提出的功能和要求解决的问题；（2）对所列问题的解决思路；（2）程序流程图；（3）程序各模块说明；4. 测试记录需要有如下信息：（
5、1）项目机器CPU配置，内存配置，操作系统名称和版本号，内核版本号，GCC版本号，GDB版本号；（2）程序源代码，GCC编译命令文本；（3）测试输入例子说明和源代码；（4）输出结果记录和说明；5. 项目总结要根据项目目标，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，评估项目达到的效果；6. 设计方案和项目总结中要体现出对思考问题的回答，但不要逐条回答，而是融入到设计方案和项目总结本身的叙述中。项目二 机器代码到汇编指令的转换程序（反汇编器）一、 项目目标1. 掌握反汇编器的设计方法；2. 为项目一的汇编器设计提供验证工具。二、 项目条件1. Linux操作系统；2. Linux操作系统程序开发工具
6、GCC，GDB；三、 项目准备1. 安装Linux操作系统；2. 如果发现Linux默认安装没有带GCC、GDB等编译开发工具，那么要下载安装编译开发工具；3. 回顾教材A.1，A.2节中关于汇编器的内容；4. 利用图书馆或互联网资源，了解GCC命令（例如：http:/ 利用图书馆或互联网资源，了解GDB工具（例如：http:/ 项目内容1. 假设有一个简单的CPU，它能访问64KB的存储器（CPU有16位地址输出，8位数据输入和输出），内部有3个程序员可见的寄存器AC, R和Z ：程序员不可见的寄存器如下：当简单CPU启动时，所有寄存器都会被自动清零。简单CPU的指令集如下表所示：指令集表中
7、 表示一个16位二进制地址（采用小端序保存）。因此LDAC, STAC, JUMP, JMPZ, JPNZ这5条指令都是3字节指令，其余指令为单字节指令。2. 请编写一个C程序，输入为项目一中汇编器所生成的二进制机器代码文件，输出为该简单CPU的汇编指令序列（以文本文件形式保存）。请使用项目一中的sum10程序作为测试例子；3. 比较本项目反汇编器对sum10程序机器代码的输出，与项目一中sum10程序源代码，检查是否一致。如果不一致，分析是什么问题引起的，提出解决方案并实施。五、 思考问题1. 反汇编过程中，机器代码中包含的数据怎么识别和处理；2. 本项目中，sum10程序机器代码反汇编结果
8、是否正确。如果有错误，如何改正，改正效果如何。六、 报告要求1. 项目报告需要有姓名，学号，班级，项目名称，项目目标，项目条件，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，项目总结等项目；2. 需求分析要描述反汇编器实现的具体功能和要求，可接收输入的详细信息，可能产生的输出的详细信息；3. 设计方案有：（1）完成需求分析所提出的功能和要求解决的问题；（2）对所列问题的解决思路；（2）程序流程图；（3）程序各模块说明；4. 测试记录需要有如下信息：（1）项目机器CPU配置，内存配置，操作系统名称和版本号，内核版本号，GCC版本号，GDB版本号；（2）程序源代码，GCC编译命令文本；（3）测试输入例子
9、说明和源代码；（4）输出结果记录和说明；5. 项目总结要根据项目目标，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，评估项目达到的效果；6. 设计方案和项目总结中要体现出对思考问题的回答，但不要逐条回答，而是融入到设计方案和项目总结本身的叙述中。项目三 简单CPU模拟器一、 项目目标1. 掌握模拟器的设计方法；2. 为项目四CPU设计提供验证工具。二、 项目条件1. Linux操作系统；2. Linux操作系统程序开发工具GCC，GDB。三、 项目准备1. 安装Linux操作系统；2. 如果发现Linux默认安装没有带GCC、GDB等编译开发工具，那么要下载安装编译开发工具；3. 回顾教材A.1，A
10、.2节中关于汇编器的内容；4. 利用图书馆或互联网资源，了解GCC命令（例如：http:/ 利用图书馆或互联网资源，了解GDB工具（例如：http:/ 项目内容1. 假设有一个简单的CPU，它能访问64KB的存储器（CPU有16位地址输出，8位数据输入和输出），内部有3个程序员可见的寄存器AC, R和Z ：程序员不可见的寄存器如下：当简单CPU启动时，所有寄存器都会被自动清零。简单CPU的指令集如下表所示：指令集表中 表示一个16位二进制地址（采用小端序保存）。因此LDAC, STAC, JUMP, JMPZ, JPNZ这5条指令都是3字节指令，其余指令为单字节指令。2. 请编写一个C程序，输
11、入为该CPU的汇编指令序列（以文本文件形式提供），输出为该CPU执行每条对应于汇编指令的机器指令后各个寄存器的内容列表（以文本文件形式保存）。假设开始时CPU各个寄存器的内容为零；3. 用项目一设计的汇编指令序列“sum10”对所编写的模拟器进行测试。如果有错误，那么就改正，直到模拟结果正确。五、 思考问题1. 本项目模拟器的基本功能是什么，怎么设计；2. 本项目中，怎么验证模拟器的模拟结果是正确的。六、 报告要求7. 项目报告需要有姓名，学号，班级，项目名称，项目目标，项目条件，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，项目总结等项目；8. 需求分析要描述模拟器实现的具体功能和要求，可接收输入
12、的详细信息，可能产生的输出的详细信息；9. 设计方案有：（1）完成需求分析所提出的功能和要求解决的问题；（2）对所列问题的解决思路；（2）程序流程图；（3）程序各模块说明；10. 测试记录需要有如下信息：（1）项目机器CPU配置，内存配置，操作系统名称和版本号，内核版本号，GCC版本号，GDB版本号；（2）程序源代码，GCC编译命令文本；（3）测试输入例子说明和源代码；（4）输出结果记录和说明；11. 项目总结要根据项目目标，项目内容，需求分析，设计方案，测试记录，评估项目达到的效果；12. 设计方案和项目总结中要体现出对思考问题的回答，但不要逐条回答，而是融入到设计方案和项目总结本身的叙述中
13、。项目四 简单CPU设计一、 项目目标1. 掌握CPU的设计方法；2. 加深对CPU组成和工作原理的理解。二、 项目条件1. Linux或Windows操作系统；2. Quartus II电路设计软件；3. 项目一设计的汇编器；4. 项目三设计的模拟器。三、 项目准备1. 安装Quartus II软件；2. 回顾教材A.1，A.2节中关于汇编器的内容；3. 利用图书馆或互联网资源，了解Quartus II使用方法（例如：http:/ 项目内容1. 假设有一个简单的CPU，它能访问64KB的存储器（CPU有16位地址输出，8位数据输入和输出），内部有3个程序员可见的寄存器AC, R和Z ：程序员
14、不可见的寄存器如下：当简单CPU启动时，所有寄存器都会被自动清零。简单CPU的指令集如下表所示：指令集表中 表示一个16位二进制地址（采用小端序保存）。因此LDAC, STAC, JUMP, JMPZ, JPNZ这5条指令都是3字节指令，其余指令为单字节指令。2. 请利用Quartus II软件设计该CPU的电路，可以参考如下所示的状态图，部分指令各个状态微操作的RTL描述，部分电路模块的设计：（1）参考状态图（2）参考微操作描述（3）参考数据通路（4）参考运算器设计（5）参考状态编码生成电路，该电路把每个状态看作是指令和节拍的组合，因此利用一个译码器来确定是哪条指令，用一个计数器来确定节拍，然后利用指令和节拍的组合来表示每个状态，如下所示：（6）数据通路各个控制信号生成的参考设计3. 用Quartus II软件进行
