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1、内蒙古师范大学计算机与信息工程学院计算机组成原理课程设计报告 题目十五:复杂模型机的组成与运行姓 名刘玉华学 号20101103846班 级10计科汉师范班指导教师 侯宏霞职称 教师日 期2013年7月7日 目 录1 任务描述21.1 题目名称21.2 要 求21.3 实验目的22 设计设备23 设计原理和方法23.1 设计原理2数据格式2指令设计2指令格式3指令系统43.2 设计依据53.2.1 详细设计5实验操作74 代码清单84.1微程序流图84.2 机器指令代码94.3 微程序代码105 设计运行结果分析125.1 实验结果：125.2 出错情况：126 设计小结127致谢138参考文
2、献14附录一：数据通路框图15附录二：复杂模型机实验电路连线图16题目五 复杂模型机的组成与程序运行1 任务描述 1.1 题目名称：复杂模型机的组成与程序运行1.2 要 求：基于TD-CMA 计算机组成原理教学实验系统，设计一个复杂计算机整机系统模型机，分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。START: IN R0,00H ；从IN 单元读入计数初值 LDI R1,0FH ；立即数0FH 送R1 AND R0,R1 ；得到R0 低四位 LDI R1,00H ；装入和初值00H BZC RESULT ；计数值为0
3、则跳转 LDI R2,60H ；读入数据始地址LOOP: LAD R3,RI,00H ；从MEM 读入数据送R3，变址寻址，偏移量为 00H ADD R1,R3 ；累加求和 INC RI ；变址寄存加1，指向下一数据 LDI R3,01H ；装入比较值 SUB R0,R3 BZC RESULT ；相减为0，表示求和完毕 JMP LOOP ；未完则继续 RESULT: STA 70H,R1 ；和存于MEM 的70H 单元 OUT 40H,R1 ；和在OUT 单元显示 JMP START ；跳转至START HLT ；停机 1.3 实验目的：该实验通过从端口00H读入一个计数初值，以该计数初值为基
4、准从MEM的50H单元开始的连续的计数初值个数的累加和，最后将求得的累加和从端口40H输出显示。2 设计设备 实验设备：西安唐都科教仪器公司生产的TD-CMA 实验系统一套，PC机一台，数据连接导线若干，电源。3 设计原理和方法通过已经学过的计算机组成原理知识，在TD-CMA实验系统上设计一个复杂模型机。 3.1 设计原理数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为位，8 位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是： 0X281。指令设计该复杂模型机设计包含运算类指令、控制类指令、数据传输类指令三大类指令。运算类指令仅用到了算术运算，算术运算设计有3 条运算类指令，分别为：A
5、DD（两寄存器值加法）、INC（寄存器值自加1）、SUB（两寄存器值减法）。所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有三条HLT（停机）、JMP（无条件跳转到指定的指令地址）、BZC（判断寄存器内容是否为0，为0则跳转到指定的指令地址），用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP 和BZC 为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT、LDI、LAD、STA 共5 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，均为双字节指令。 指令格式 A、算术逻辑运算指令格式如下格式如下7 6 5 4 3 21 0操作码RSRD 其中RS为
6、源操作数寄存器，RD为目的操作数寄存器。并且规定了用两位二进制数来表示R0、R1、R2、R3寄存器，规定其表示方式如下表所示：RS或RD对应的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 B、I/O指令格式（IN和OUT指令）如下7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2)操作码RSRDI/O端口号其中括号中的1 表示指令的第一字节，2 表示指令的第二字节， RS为源寄存器，RD 为目的寄存器， I/O 端口号占用一个字节。C、访问指令及控制转移指令格式如下： a、 LDI 的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。7 6 5 4(1)3
7、 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码RSRD Data b、LAD、STA、JMP 和BZC 指令格式如下表所示：7 6 5 4(1)3 2(1)1 0(1)7 6 5 4 3 2 1 0(2) 操作码MRD D其中M 为寻址模式，具体见表3-1-1所示，以R2 做为变址寄存器RI。表 寻址模式说明表寻址模式 M有效地址 E说 明00E = D直接寻址01E = (D)间接寻址10E = (RI) + DRI变址寻址11E = (PC) + D相对寻址D、停机指令格式如下7 6 5 4 3 2 1 0 操作码* * *指令系统本模型机共有 11 条基本指令，其中算
8、术逻辑运算单元3条，分别为SUB、ADD、INC.控制转移指令两条，分别为JMP、BZC.输入输出指令两条，分别为IN和OUT。寻址数据转移指令两条，分别为LDI、LAD。停机指令一条，为HALT.表3-1-2 列出了各条指令的汇编符号、指令格式及指令功能说明。详细说明见表。 表 指令描述表 指令描述3.2 设计依据该复杂模型机通过已经学过的计算机组成原理知识，根据提供的实验箱，设计出了相应的机器指令，根据机器指令，由各种译码电路分析各条机器指令所要完成的工作，翻译分析得到相应的多条微程序指令，由微程序控制硬件及软件完成相应的操作。其中由P(1)、P(2)、p（3）测试得到相应的微程序入口，由
9、微指令的低六位得到微指令的后继地址，一直到执行完所有的机器指令完成相应的工作，到停机指令为止。 详细设计由于复杂模型机实验的指令较多，寻址方式也较复杂，仅采用一种测试是不能够满足要求的，因此参照实验手册上的指令译码电路设计了电路图，如图2二所示： 图二 指令译码原理图该复杂模型机实验涉及到四个通用寄存器R0、R1、R2、R3，对寄存器的选择通过对指令低四位进行测试，判断得到相应的寄存器号。如：涉及到寄存器R0，则可能在低两位或者低三、四位为0表示。该功能寄存器译码电路，在IR 单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现。译码电路如图三所示。 图三 寄存器译码原理图B 微指令格式根据机器指令系
10、统要求，设计确定微地址。微指令格式如下所示：232221201918-1514-1211-98-65-0M32CNWRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段UA5-UA0 C 二进制代码表参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表（表），并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。 表 二进制代码表实验操作A 复杂模型机系统实验连线图（见附录一） 该实验图是复杂模型机在根据设计的指令系统设计出来的（此处借鉴了实验指导书的复杂模型机的实验连线图）。B 实验步骤在该复杂模型机实验中，我采用的是联机写入和校验的方式。1根据实验连线图（见附录二）正确连接电路。2联机写入和校验联机软
11、件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，本次实验程序见代码清单，程序中分号；为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。在软件界面上可以通过单步、单拍、运行、结束等按钮执行程序。记录运行结果。4 代码清单4.1微程序流图 图1 微程序流图微程序流程图说明了微指令执行过程中指令流和数据流的方向。能更具体地看到具体的指令流和数据流的起点和和终点。其中起点可能是PC程序计数器、AR地址寄存器、主存MEM、通用寄存器R0、R1、R2、R3、IN端口等。终点可能是AR、MEM、OUT端口、暂存器A、B等。4.2
12、机器指令代码; /* /; / /; / 复杂模型机实验指令文件 /; / /; / By TangDu CO.,LTD /; / /; /* /; /* Start Of Main Memory Data * /$P 00 20 ; START: IN R0,00H 从IN 单元读入计数初值$P 01 00$P 02 61 ; LDI R1,0FH 立即数0FH 送R1$P 03 0F$P 04 14 ; AND R0,R1 得到R0 低四位$P 05 61 ; LDI R1,00H 装入和初值00H$P 06 00$P 07 F0 ; BZC RESULT 计数值为0 则跳转$P 08 16$P 09 62 ; LDI R2,
