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1、第 1 页第 1 页计算机组成原理课程设计说明书题 目： 设计一台嵌入式 CISC 模型计算机 院 （系）： 计算机科学与工程学院 专 业： 网络工程 学生姓名： 唐波 学 号： 1100380219 指导教师： 陈智勇 第 2 页第 2 页一、课设题目：一、课设题目：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 定功能的机器语言程序进行验证，实现方法可从以下 4 类中任选一个：连续输入 5 个有符号整数（8 位二进制补码表示，用十六进制数输入） ，求最小的负 数的绝对值并输出显示。说明：5 个有符号数从外部输入；一定要使用符号标志位（比如说
2、SF） ，并且要使用为负的时候转移（比如 JS）或不为负的时候转移（比如 JNS）指令。二二CISCCISC 模型机系统总体设计模型机系统总体设计三操作控制器的逻辑框图三操作控制器的逻辑框图指令寄存器 IR操作码微地址寄存器 地址译码控制存储器地址转移 逻辑状态条件微命令寄存器P 字段操作控制字段微命令信号第 3 页第 3 页说明： 在 T4 内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在 T2 的上边沿到来时，将读出的 微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。四模型机的指令系统和所有指令的指令格式四模型机的指令系统和所有指令的指令格式由此可见，本模型机中的指令系统中共有 8
3、条基本指令，下表 9 列出了每条指令的格 式、汇编符号和指令功能。指令格式指令格式指令助记符指令助记符 15-1211 109 87-0功能功能IN1 Rd 0101Rd(Rd)+1Rd，锁存标志 位MOV Rd,im0001Rdim立即数立即数RdCMP Rs,Rd0011RsRdRs,Rd 比较，INC Rd0010Rd输入设备RdJNS addr0100addr若大于，则 addrPCJMP addr0110addraddrPCOUT1 Rs1001Rs(Rs)输出设备输出设备MOV1 Rs,Rd1000RsRd(Rs)RdNOT Rd0111RdData 取反第 4 页第 4 页指令格
4、式： （1）I/O 指令（单字节） I 说明：对 Rs 和 Rd 的规定：Rs 或 Rd选定的寄存器0 0R00 1R11 0R21 1R3五所有机器指令的微程序流程图五所有机器指令的微程序流程图设计操作控制器单元（即微程序控制器）（1）设计微指令格式和微指令代码表 CISC 模型机系统使用的微指令采用全水平型微指令，字长为 25 位，其中微命令字段 为 17 位，P 字段为 2 位，后继微地址为 6 位，其格式如下：25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0LOAD LDPC LDAR LDIR LD
5、Ri RD_B RS_B S2 S1 S0 ALU_B SW_B LED_B RD_D CS_D RAM_B CS_I ADDR_B P1 P2 后继微地PCABUS（I） RD ROM IBUSIR PC+1RdY Y+1Rd 锁存 CF，ZFRsX RdY 锁存 CF，ZFSWRdROMBUS BUSPCRsX -XRs 锁存 CF，ZFRsLEDIR（A） PCIR（I） RdP(1)P(2)000002030405O6070900012010CF=0 ZF=0CF=1 ZF=1INCCMPJNSIN1JMPNOTOUT100 0000000000MOV00MOV1RsX XRd0800
6、0000第 5 页第 5 页址由微指令格式和微程序流程图编写的微指令代码表如下所示，在微指令的代码表中微 命令字段从左边到右代表的微命令信号依次为：LOAD LDPC LDAR LDIR LDRi RD_B RS_B S2 S1 S0 ALU_B SW_B LED_B RD_D CS_D RAM_B CS_I ADDR_B微地址微命令字段P1P2后继微地址0011010010001111110110000010011000101000111111100000000002100011101001111111000000010310000110011111111100000000041000001
7、0001101111101000011051000101000101111110000010006010000100011111110001000000710001111000111111100000000081000101101011111110001001009100000000011011111000101001001000010001111111000000000（2）设计地址转移逻辑电路 地址转移逻辑电路是根据微程序流程图 3-2 中的棱形框部分及多个分支微地址，利用 微地址寄存器的异步置“1”端，实现微地址的多路转移。 由于微地址寄存器中的触发器异步置“1”端低电平有效，与 A4A
8、0 对应的异步置 “1”控制信号 SE5SE1 的逻辑表达式为：（A5 的异步置“1”端 SE6 实际未使用）SE5= FSP(2)T4 SE4=I7P(1)T4 SE3=I6P(1)T4 SE2=I5P(1)T4 SE1=I4P(1)T4 六嵌入式六嵌入式 CISCCISC 模型计算机的顶层电路图模型计算机的顶层电路图第 6 页第 6 页CROM:AA;第 7 页第 7 页七汇编代码：七汇编代码：MOV R0,00H 功能 ：将 0 赋给 R0 MOV R1,FFH 将 FF 赋给 R1 MOV R2,05H 将 05 赋给 R2 L0:INC R0 计数加 1CMP R0,R2 R0 与
9、R2 比较，是否输入五个数 JNS L3 是跳转 L2 输出IN1 R3 输入一个数到 R3 CMP R3,R1 R3 和 R1 比较，锁存 CF，ZF JNS L2 跳转 L2 输出 JMP L1 跳转 L1 L1:MOV1 R1,R3 （R3）（R1） JMP L0 跳转 L0 L2: NOT R1 R1 取反 INC R1 R1 加 1 OUT1 R1 输出 R1第 8 页第 8 页八机器语言源程序八机器语言源程序地址（十六进制）汇编语言源程序机器语言源程序 代码00MOV R0,00H 0001 0000 0000 0000 100001MOV R1,FFH 0001 0001 111
10、1 1111 11FF02MOV R2,05H 0001 0010 0000 0101 102503L0:INC R0 0010 0000 0000 0000 2000 04CMP R0,R2 0011 1000 0000 0000 3800 05JNS L30100 0000 0000 1100400C 06IN1 R3 0101 0011 0000 0000 5300 07CMP R3,R1 0011 1101 0000 0000 3D00 08JNS L2 0100 0000 0000 1010400A09JMP L1 0110 0000 0000 0011 60030AL1:MOV1
11、R1,R3 1000 1101 0000 0000 8D000BJMP L0 0110 0000 0000 0011 60030CL2: NOT R1 0111 0001 0000 0000 71000DINC R1 0010 0001 0000 0000 21000EOUT1 R1 1001 0100 0000 0000 9400九机器语言源程序的功能仿真波形图及结果分析九机器语言源程序的功能仿真波形图及结果分析第 9 页第 9 页1.MOV R0,00H 2.MOV R1,FFH 3.MOV R2,05H 4.CMP R2,R0 5.IN1 R3(F4 存到 R3) 6MOV1 R3,R1
12、(F4 存入 R1)7.IN1 R3(02 存到 R3) 802 是大于 F4 的正数，不跳到 L1 存 R1，直接跳回 L0。9.IN1 R3（F1 存到 R3)。10F1 是小于于 F4 的负数，跳到 L1，MOV1 R3,R1(F1 存入 R1)第 10 页第 10 页11FNOT R1， INC R1（F1 取反加 1 存入 R1） 。 12。OUT1 R1（输出 R1，最终结果是 0F）十故障现象和故障分析十故障现象和故障分析故障一： 在进行仿真的时候，当输入一个正数存进 R3 之后，执行 CMP R3,R1 之后，没有执行 JNS L0，而是错将正数也存入 R1。查看之后发现是 A
13、LU 里“CMP”运算代码有问题。 故障二： 计数（R0）一直加，到 5 时不会跳转输出，检查机器指令发现 JNS L2 的地址写成了 06 故障三： ，输出结果时，取反都变成 FB，检查很久之后发现原本应该对 AC 里的数取反的，结第 11 页第 11 页果弄成了 DR 的.故障 N: 汇编程序出错、连线错误、微指令错误、修改器件没有重新编译等。十一十一. .心得体会心得体会刚开始去上老师的课时，听得一头雾水，因为发现好多地方自己同不懂。 然后我就去看课本，同时问老师一些问题，当看到其他同学也问老师问题时， 自己也跑过去凑热闹，因为这样可以了解更多的知识。直到后来才发现，原来 除了设计自己的
14、指令外，我们需要写 MCOMMAND，写 CONTROM 来解析我 们写的指令，这或许可以算得上一个极简单的 CPU 模型了吧。就是有了微程序 控制器，计算机才认识我们自己设计的指令，才知道当读取到什么指令时该执 行什么操作。听得多了，看得多了，就渐渐的明白了一些课设的相关知识，然 后画指令流程图，设计指令，写程序完成任务，这些几乎都是水到渠成的工作 了，很多都可以依葫芦画瓢来完成。 本次课设，由于汇编学的很差，期汇编代码是和班级同学的相同，但是自 己重新设计了指令周期流程图，经过调试得出的结果 其实只要把最基本的原理搞明白了，后续工作开展是非常快的。但在没明 白原理前，千万不要畏惧困难，慢慢的一点一点学习，特别是仿真软件的学习 和使用，需要花费相当的时间。只要认真了，就有可能实现。十二十二. .软件清单软件清单AAAA 里的里的 MMM:MMM:LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY MMM IS PORT(第 12 页第 12 页SE:IN STD_LOGIC; CLK:IN STD_LOGIC
