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1、计算机科学与工程学院课程设计报告题目全称：用高级语言C#模拟计算机指令流程 学生学号： 2010231030025 姓名：樊继硕指导老师： 职称： 指导老师评语： 签字： 课程设计成绩：设计过程表现设计报告质量总分第一章 概论21.指令流程仿真软件工作原理与实现技术31.1 CPU的基本组成31.2 时序控制方式31.3控制器分类32.算术、逻辑运算部件33.CPU模型43.1指令格式43.2寻址方式43.3 指令类型53.4 传送指令63.5 双操作数算逻指令63.6 程序控制类指令63.7 总线与数据通路结构63.8 MOV指令图7第二章 需求分析81.导言81.1 目的81.2 范围82
2、.系统定义82.1 项目来源及背景82.2 项目要达到的要求92.3 软件整体结构93.应用环境103.1 系统运行硬件环境103.2 软件运行软件环境104.功能规格114.1 角色（Actor）定义114.2 系统住Use Case图114.3 用户端115.性能需求135.1 界面需求135.2 响应时间需求145.3 可靠性需求145.4 开放性需求145.5 可扩展性需求145.6 系统安全性需求146.产品提交14第三章 概要设计151.系统名称152.编写目的153.系统目的164.系统分析165.界面设计165.1界面设计166.模块设计176.1指令流程演示模块设计17第四章
3、 详细设计与实现171.导言171.1目的171.2本文档的预期读者181.3范围182.详细设计概述183.界面详细设计与实现18第五章 软件测试351.测试环境351.1硬件环境351.2 软件运行软件环境351.3 测试方法和工具352.测试范围353.测试目的354.界面测试36第一章 概论1.指令流程仿真软件工作原理与实现技术1.1 CPU的基本组成CPU 通常包含运算部件、寄存器组、微命令产生部件、时序系统等主要部件，由CPU内部总线将它们连接起来，实现它们之间的信息交换。1.2 时序控制方式同步控制方式是指统一发出的时序信号对各项操作进行同步控制。在同步控制方式中，操作时间被划分
4、为许多长度固定的时间段，一个时间段就是一个节拍，也称为时钟周期。时钟周期作为基本的时序单位，一旦确定，便固定不变，这是同步控制方式的主要特点。异步控制方式是指各项操作不受统一时序信号的约束，而是根据实际需要安排不同的时间。在异步控制所涉及的操作范围内，没有统一的时钟周期划分和同步定是脉冲，只是异步控制方式的基本特点。1.3控制器分类组合逻辑控制器。执行指令是，由组合逻辑电路在相应时间发出所需的微命令，控制有关操作。这种产生微命令的方式就是组合逻辑控制方式。组合逻辑控制器主要包括微命令发生器、指令寄存器IR、程序寄存器PC、状态字寄存器PSW、时序系统等部件。所谓微程序控制方式，是指微命令不是由
5、组合逻辑而是由微命令译码产生的。微命令控制器与组合逻辑控制器的最大不同之处是微命令产生部件的实体发生了变化，它不是由一些组合逻辑电路的集合，而是一个控制寄存器CM和相应的微命令寄存器uIR，还有微地址形成电路以及微地址寄存器uRA等部件。2.算术、逻辑运算部件在计算机中，运算部件主要由输入逻辑、算术逻辑运算部件、输出逻辑三部分组成。其中ALU是运算器部件的核心，即可完成算术运算，也可完成逻辑运算。ALU的组成一位加法器包括由两个半加器构成的一位全加器和由与非门构成的一位进位门。一位输入选择器由一对与或非门构成。控制门用来选择ALU做算术运算和逻辑运算。3.CPU模型模型机指令系统3.1指令格式
6、从简单、规整出发，模型机采用定长指令格式，每条指令16位长，占据一个存储单元。由于指令字长有限，采用寄存器型寻址，及指令格式中给出寄存器号，根据不同寻址方式形成相应地址。3.2寻址方式模型机寻址方式的特点是在指令中直接给出寄存器编号，供CPU编程访问、可编程寄存器R0R3、堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PSW。针对同一种寻址方式编码，制定不同的寄存器，可以派生出多种不同的寻址方式。（1） 寄存器寻址操作数地址存放在制定的寄存器。这种寻址方式可用来设置初始值，如设置某个寄存器的内容，或设置堆栈指针，或设置程序起始地址，或设置程序状态字等。（2） 寄存器间址操作数地址存放在指定的寄存器中
7、，而操作数则放在由该地址所指示的存储单元中。因此这种寻址方式需要内容访存，从主存单元读取操作数，或将数据写入住存单元。（3） 自减型寄存器间址将指定寄存器的内容减1后作为操作数地址再按此地址访存，从主存中读取操作数，或将数据写入主存。（4）自增型寄存器间址操作数地址在指定寄存器中，访存后将寄存器内容加1，作为新的地址指针。（5）自增型双间址将指定寄存器的内容作为操作数的间接地址，根据该地址访存后寄存器内容加1，指向下一个间址单元。双间址需两次访存，第一次从间址单元中读取操作数地址；第二次访存再从操作数地址单元中取得操作数，或向该单元写入数据。（6）变址寻址方式在变址方式中，形式地址存放在紧跟指
8、令的存储单元中，所指定的变址寄存器内容作为变址量，将形式地址与变址量相加，其结果为操作数地址。再根据该地址访存，读取或写入操作数。（7）跳步方式现行指令执行后，不是顺序执行下一条指令，而是执行再下一条指令。因此在取指后PC+1,然后进行一次PC+1，使PC内容指向现行指令之后第二个单元。这是一种实现程序分支的方法。3.3 指令类型根据模型机指令格式，操作码有4位，现用14种操作码表示了15种指令，余下2种操作码组合可供扩展。按操作数多少，可将模型机的指令分为双操作数指令和但操作数指令两大类；按指令本身的功能又可将这些指令分为传送、运算、转移等三类。3.4 传送指令由于可选用多种寻址方式，MOV
9、指令可用来预置寄存器或单元内容，实现寄存器间、寄存器存储器间、各存储单元间的信息传送，还可实现堆栈操作PUSH、POP，不专设方寸指令。在系统结构上将外围接口寄存器与主存单元统一编址，因而MOV指令可用来进行I/O操作，不再专门设置显示I/O指令。3.5 双操作数算逻指令逻辑运算指令用来实现位检测、位清除、位设置、位修正等位操作功能，所用屏蔽字可由立即寻址方式提供。异或指令可实现判符合操作。3.6 程序控制类指令程序控制类指令包括转移指令、返回指令和转子指令，用来实现程序的转移。3.7 总线与数据通路结构3.7.1 总线总线是一组能为多个部件分时共享的信息传送线3.7.2 内总线模型机内部数据
10、通路的特点是：由ALU汇集各数据，单向内总线实现数据分配，寄存器在逻辑上分立。各寄存器将其输出分别送至ALU的输入选择器，ALU输出经移位器送到内总线上，内总线是16根单项数据传送线，它们连接到各寄存器对应的D输入端。数据究竟送入哪一个或哪几个寄存器，取决于及存取器是否收到CP脉冲，控制器只向需要接收数据的寄存器发同步打入脉冲。这种通路结构的优点是简单、规整、控制集中，便于设置微命令；缺点是只有一组基本数据通路，并行程度较低。3.7.3 系统总线CPU通过总线与外部连接，如连接主存、各种外围设备。系统总线可分为地址总线、数据总线、控制总线三种。3.7.4 指令指令是程序可执行形态的基本单元，它
11、以代码形式按一定格式给出要求计算机执行的操作类型，以及相应的操作数地址等控制信息，一条指令控制实现了一步操作。3.7.5 指令中的基本信息操作码；操作数或操作数地址；存放运算结果的地址；后继指令地址3.8 MOV指令图第二章 需求分析1.导言1.1 目的该文档是为用户学习计算机指令流程软件要求，主要描述了该软件的设计需求，以及所要达到的功能。将作为以后开发以及概要设计阶段的设计输入。本文档的预期读者有： 设计人员开发人员项目管理人员测试人员指导老师客户1.2 范围 此软件用于初学计算机组成原理的学生用于模拟计算机指令流程学习用，教师也可用于教学之中。2.系统定义2.1 项目来源及背景在学习计算
12、机指令执行流程的时候，由于其内容比较空洞抽象造成了老师教授和学生学习理解的不便。在正常教学时也不方便进行展示。运用该软件不但便于课堂教学同时也方便同学们的理解与掌握计算机的指令执行流程。同时具有快捷性、方便性、检索迅速查找方便、可靠性高、寿命长、成本低等。这些优点能够极大高学习效率降低学习的成本。优化了教学方式，并有利与提高学生的积极性主动性。2.2 项目要达到的要求此软件的现实意义在于方便老师的教学与同学的理解之余同时提高同学的积极性，是同学可以主动学习，更加深入理解计算机内部的指令执行流程，深入理解计算机硬件。本项目目标如下：1.软件能够提供友好的用户界面，使操作人员的工作量最大限度的减少
13、2.软件具有良好的运行效率，能够得到提高生产率的目的3.软件应有良好的可扩充性，可以容易的加入其它系统的应用4.平台的设计具有一定的超前性，灵活性5.通过这个项目可以锻炼队伍，提高团队的开发能力和项目管理能力6.尽可能方便用户需求，不会出现错误2.3 软件整体结构 本软件的整体结构为根据用户需求，以用户选择的指令为准，模拟指令的执行流程，显示出指令执行的过程，并在屏幕的图上进行显示，可刷新操作。其关系图为：指令流程模拟软件选择执行的指令选择延迟模拟指令流程显示刷新已执行指令流程3.应用环境本项目的应用环境可以分硬件环境、软件环境来描述。3.1 系统运行硬件环境本系统的硬件环境如下：用户机：普通
14、PCCPU：P4 1.8GHz内存：256MB以上分辨率：推荐使用1366*768像素3.2 软件运行软件环境本系统的软件环境如下：操作系统：Windows xp， Windows 7开发工具包：VS2010PC上装有.NET2.0或以上版本4.功能规格 我们采用面向对象分析作为主要的系统建模方法，运用C#语言进行程序的编写。 Use Case描述的是“actor”(用户、外部系统以及系统处理)是如何与系统交互来完成工作的。Use Case模型提供了一个非常重要的方式来界定系统边界以及定义系统功能，同时，该模型将来可以派生出动态对象模型。4.1 角色（Actor）定义角色或者执行者（Actor）指与系统产生交互的外部用户或者外部系统。4.2 系统住Use Case图 本软件只有一种用户，用户只需下载使用即可。系统主Use Case图如下：
