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1、课 程 设 计 报 告课程名称 计算机组成原理 课题名称 带移位基本模型计算机的设计 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2014 年 9 月 14 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 计算机组成原理 课 题 带移位基本模型计算机的设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2014 年 9 月 3 日任 务 完 成 日 期 2014 年 9 月 14 日一 、 设 计 内 容 与 设 计 要 求1设计内容模型机是由五个部分组成的计算机，通过它可以理解计算机整机的结构及功能，理解 CPU、存储器、中断控制器、总线的结构及实现逻辑和各部件之间的接口关系
2、。本次课程设计的主要内容是利用西安唐都公司的 TDN-CM+的内部可编程资源，设计一个模型计算机。本课程设计的主要目的是通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由 5 部分组成，掌握计算机的工作过程，从“指令微指令微操作”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力，同时增强学生的动手能力。2设计要求(1) 借助于 TDN-CM+的内部可编程资源，运算器单元，控制存储器，微命令寄存器，地址转移逻辑，微地址寄存器，控制时序信号单元，寄存器组，总线，输入输出单元等，用微程序的方式设计一台的模型计算机。设计包括模型计算机组成的设计，指令系统的设计，并用汇编语
3、言完成设计并调试成功。(2) 基本模型机的设计要求 (P98) 复习定义五条机器指令：IN（输入） 、ADD（二进制加法） 、STA （存数） 、OUT（输出） 、JMP（无条件转移） ，其指令格式如下：助记符 机器指令码 说明IN () 0000 0000 “INPUT DEVICE”R0ADD addr 0001 0000 R0+addr R0STA addr 0010 0000 R0 addrOUT addr 0011 0000 addr LEDJMP addr 0100 0000 addrPC其中 IN 为单字长（8 位） ，其余为双字长指令，为 addr 对应的二进制地址码。参考程序
4、（实验已做过）地址（二进制） 内容（二进制） 助记符 说明0000 0000 0000 0000 IN R0 INPUT DEVICE-R0 0000 0001 0001 0000 ADD 0AH,R0 R0+0AH -R0 0000 0010 0000 1010 0000 0011 0010 0000 STA R0,0BH R0 -0BH 0000 0100 0000 1011 0000 0101 0011 0000 OUT 0BH 0BH -LED 0000 0110 0000 1011 0000 0111 0100 0000 JMP 00H 00H -PC 0000 1000 0000
5、0000 0000 1001 （3）课程设计内容及要求：以下是带移位运算的模型机的设计与实现：移位运算的模型机的设计和实现：(1)IN 输入 “INPUT DEVICE”R0，(2)ADD 13H R0+13HR0 ，(3)RLC 带进位左移(4)IN “INPUT DEVICE”R0，(5)RRC 带进位右移(6)RL 左环移(7)STA 0EH R00EH(8)OUT 0EH 0EH BUS(9)JMP 00H 00HPC(4)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。要求,同一小组的每个同学必须分析一条不同的机器指令的微程序的组成,说明组成该机器指
6、令的每一条微指令的微命令(不同的控制信号的组成)。(5)按本任务书的要求，编写课程设计报告 （Word 文档格式） 。并用 A4的复印纸打印并装订。 (6)在规定的时间内，请各班学习委员收齐课程设计报告在星期五交陈华光老师。3分组及安排分 4 组，学号除以 4 取余数，余数为 0 的同学做带移位基本模型机 1、余数为 1 的同学做复杂模型机 1，余数为 2 的同学做复杂模型机 2，余数为 3 的同学做复杂模型机 3，每个组必须独立完成指定的题目，每个同学按要求独立完成课程设计报告。4成绩评定程序设计方案是否合理；程序设计是否正确；调试结果；设计说明书的质量高低；答辩时回答问题情况；课程设计周表
7、现情况；总评成绩记入“课程设计成绩评分表” 。二、进 度 安 排第 周 周，具体安排如下：星期 时间 班级 内容 地点任务安排 E-510接线 E-510调试 E-510系统调试实现 E-510接线 E-510调试 E-510系统调试实现 E-510附：课程设计报告装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（A4 大小的图纸及程序清单） 。 正文总字数要求在 5000 字以上（不含程序源代码） 。目录一、课题的主要功能二、总体设计方案1、模型机的逻辑框图2、用框图语言表示模型机的指令执行流程三、数据格式和寻址方式的设计1、数据格式2、指令格式四、指令和微程序的设计五、线路连接图六、微程序
8、流程及说明七、课程设计的收获及体会八、参考资料一、课题的主要功能本课题设计的主要目的是通过对复杂模型机的建立和通过部件级的模型机的设计和调试，使学生理解计算机由 5 部分组成，掌握计算机的工作过程，让学生去了解首控制器是如何去工作，是怎么样一步一步完成所给的指令。从取指令，编译指令，输出等一系列的工作是如何在控制器里运行的。让大家清晰地了解计算机的整机概念，并培养学生分析和解决实际问题的能力。二、总体设计方案(1) 带移位运算模型机的逻辑框图 以控制器为中心，首控制器从指令寄存器取得指令，编译指令，再输出微控制信号，控制 ALU 的运算，PC 加一，并且从 RAM 中取出数据运算，运算后再把结
9、果通过数据总线存到 RAM，在指令寄存器读去下一条指令，依次循环。本实验是在实验（一）基本模型机的基础上搭接移位控制电路（74LS299 芯片） ，实现移位控制运算，原理图如图 1 所示。RD (74LS374) DR! (273) DR2 (273) ALU (74LS181) 地 址 总 线 CPU 74LS299 存储器 （6116）OUTPUT INPUT AR(74LS273) PC(74LS161) 时 序 微 控 器 IR(74LS273) 数 据 总 线 W/R CS-1 CS-0 CS-2 图1 带移位运算的模型计算机逻辑框图 2、用框图语言表示模型机的指令执行流程用框图语言
10、表示模型机的指令执行流程图 2 基本模型机的指令执行流程 实现移位控制运算。因此实验中新增 4 条移位运算指令：RL（左环移） ；RLC 带进位左环移） ；RR（右环移） ；RRC（带进位右环移） ，其指令格式如下：操作码 RR 01010000RRC 01100000RL 01110000RLC 10000000以上 4 条指令都为单字长指令（8 位） 。RR 为将 R0 寄存器中的内容循环右移一位。RRC 为将 R0 寄存器中的内容带进位右移一位，它将 R0 寄存器中数据右边第一位移入进位，同时将进位寄存器的数移至 R0 寄存器的最左位。RL 为将 R0 寄存器中的数据循环左移一位。RLC
11、 为将 R0 寄存器中的数据带进位循环左移一位。环移的信号如下299_B S1 S0 M 功能 0 1 0 0 循环右移0 1 0 1 带进位循环右移0 1 1 0 循环左移0 0 1 1 带进位循环左移同样，本实验为了向 RAM 中装入程序和数据，设置了三个控制台操作微程序，同基本模型机完全一致（图 2 的右边部分） 。设计带移位控制的微程序流程图如图 3 所示： 图 3 带移位控制的模型机的指令执行流程三、数据格式和寻址方式的设计1、数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为位，其格式如下： 符号 尾 数其中第 7 位为符号位，相对于十进制数值表示范围是：2 7X2 71。 2
12、、模型机的寻址方式操作数的寻址就是寻找形成操作数在主存中的地址的方法。设指令格式如下：形式地址（D）：指令地址字段中给出的地址。 有效地址（EA）：形式地址经过一定计算而得到的操作数的实际地址。 常用寻址方式如下： (1)隐含寻址：指令中不指出操作数的地址，而是隐含在累加器或堆栈等，由它们给出操作数。 (2)立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。即数据 data = D。 (3) 直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出，即操作数的有效地址为EA = D。 (4)间接寻址：指令的形成地址 D 在主存相应单元中的内容是操作数的地址，即操作数的有效地址为 EA =（D）。
13、(5)寄存器寻址：指令中给出的是寄存器号 R，操作数就是寄存器中的内容，即 data=（R）。 操作码（OP） 寻址特征 形式地址(6) 寄存器间接寻址：指令中给出的是寄存器号 R，而操作数的地址就是寄存器中的内容，即 EA =（R）。 (7)相对寻址：操作数地址为程序计数器 PC 中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以补码形式给出，可正可负。即 EA=（PC）+D。 (8) 基址寻址：操作数地址为基址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 +D(9)变址寻址：操作数地址为变址寄存器中的内容与指令中给出的地址偏移量 D 之和， 3、 指令格式由于本模型机机器字长只有 8 位二进制长度，故使用单字长指令和双字长指令。根据要求,设计该模型机能执行的不同指令，例指令格式及功能如下：(1) 算术逻辑运算指令 算术逻辑运算指令用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： OP-CODE rs rd其中，O
