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1、计算机组成原理 课程设计报告复杂模型机的设计与调试复 杂 模 型 机 的 设 计 与 实 现一、课程设计目的本课程设计是计算机组成原理课程结束以后开设的大型实践性教学环节。通过本课程设计，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对微程序控制器的理解，进一步巩固所学的理论知识，并提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；锻炼计算机硬件的设计能力、调试能力；培养严谨的科学实验作风和良好的工程素质，为今后的工作打下基础。二、实验设备 ZY15CompSys12BB计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、设计与调试任务 1按给定的指令格式和指令系统功能要求，用所提供的器件设计一台
2、微程序控制器控制的模型计算机。 2根据设计图，在通用实验台上进行组装，并调试成功。四、指令格式 模型机设计四大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、IO指令、访问存储器及转移指令和停机指令。 (A) 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE RsRd其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：选中的寄存器（Rs或Rd）R0R1 R2 寄存器的编码000110(B) 访存指令及转移指令模型机设计2条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)、2条转移指令，即无条
3、件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7D0OP-CODEM OP-CODE RdD其中，OP-CODE为操作码， Rd为目的寄存器，D为位移量(正负均可)，M为寻址方式，其定义如下：寻址方式 有效地址 说 明 00 E=D直接寻址01E=（D）间接寻址10E=（RI）+DRI 变址寻址11E=（PC）+D相对寻址本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。(C) I/O指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE addrRd其中，addr=01 时，表示选
4、中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。(D) 停机指令这类指令只有1条，即停机指令HALT，用于实现停机操作，指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 1 1 0 0 00 0五、总体设计 （1）指令系统本模型机共有16条基本指令。其中，算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他它指令1条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。表1 复杂模型机指令系统序号 汇编符号 指令格式 功能说明 1CLR Rd0111 00 Rd0Rd 2MOV RS,Rd1000 RS RdRSR
5、d 3ADC RS,Rd1001 RS RdRSRdCyRd 4SBC RS,Rd1010 RS RdRSRdCyRd 5INC Rd1011 - RdRd1Rd 6AND RS,Rd1100 RS RdRSRdRd 7COM Rd1101 00 RdRdRd 8RRC RS,Rd1110 RS RdRS带进位右循环一位，RSRd 9RLC RS,Rd1111 RS RdRS带进位左循环一位，RSRd10LDA M,D, Rd00 M 00 Rd，DERd11STA M,D, Rd00 M 01 Rd，DRdE12JMP M,D00 M 10 00，DEPC13BZC M,D00 M 11 0
6、0，D当CY=1或ZI=1时，EPC14IN addr, Rd0100 01 RdaddrRd15OUT addr, Rd0101 10 RdRdaddr16HALT 0110 00 00停机（2）微指令格式表2 复杂模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16 A B PuA5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2
7、011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的P1P4是四个测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的为地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。具体来说，P1测试用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3uA0）与指令寄存器高四位（IR7IR4）相或得到各路分支；P2测试用下址低2位（uA1uA0）与指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3测试用于条件转
8、移，它用下址的uA4与(ZI +CY)相或得到各路分支；P4测试用于控制台操作，它用下址低2位（uA1uA0）与SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到的位均直接保留。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号，目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。三字段中的其他位类似与此，均是某芯片的选通信号，它们的功能都是根据机器指令来进行相应芯片的选通译码。（3）微程序流程图本模型机的数据通路如图1所示。根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确
9、定微地址，如图2所示。图1 复杂模型机的数据通路图微地址S3CN RDM17M16ABPuA5uA00000000001100000010001000001000000011110110110000010020000000011000000011000003500000000101000000001111036000000001110000010000100370000000011100000101100006000000000101000000011000161000000001110000010000100540000000111101101100111015500000001111011
10、011001111156000000001010000000110010230000000110000000000000012400000000001000000001100062000000001010000000110011630000000110110110001101006410010101111010100011110020000000011110110110000011210000000111101101100001012200000001111011011000110157000000011110110110110101510000000000010000000000015200
11、000011000001000000000146000000011000000000100110400011110110011010000000014100000001100100100000000142000000011010001000111010430000000110110010000000114400000001101001000000110145000000011010001000001110530000000110100100001110114700110001100000100001101050001100011000001000011011050000000010010000000000010400000010100001000100000107000001011101101110000001060000000110000000110010011100000001100000000000000174
