1、PAGE PAGE 24課程設計（大作業）報告課程名稱： 計算機組成原理 設計題目： 復雜模型計算機 院 系： 信息技術學院 班 級： 設 計 者： 學 號： 20110101 指導教師： 王震江 設計時間： 2013.7.82013.7.12 昆明學院昆明學院課程設計（大作業）任務書姓 名：院（系）：信息技術學院專 業：計算機科學與技術學 號： 任務起止日期：2013.7.82013.7.12課程設計題目：復雜模型計算機課程設計要求：1、先做基本模型計算機實驗。2、在基本模型計算機實驗的基礎上，進行復雜模型計算機設計具體任務為： 根據基本模型計算機的實驗原理，設計復雜模型計算機的組成結構；畫

2、出復雜模型計算機的組成結構圖；設計實驗例程；輸入程序，調試，運行；根據程序執行情況，畫出程序運行的通路圖，并描述程序執行的過程；總結心得體會，說明對此次課程設計的理解和建議；3、撰寫課程設計報告書。 報告書內容包含：復雜模型機原理描述，畫出復雜模型計算機的組成結構圖；設計實驗例程；輸入程序，調試，運行；根據程序執行情況，畫出程序運行的通路圖，并描述程序執行的過程；總結心得體會，說明對此次課程設計的理解和建議；工作計劃及安排： 星期一：查閱有關資料，開始連接電路。星期二：檢查電路，并開始運行。星期三：討論運行中出現的問題，并調試出結果。星期四：開始寫課程設計報告。星期五：完成課程設計報告。在此過

3、程中有不明白的地方與同組成員討論并查閱相應資料。指導教師簽字 年 月 日 課程設計（大作業）成績學號： 姓名： 指導教師：王震江課程設計題目：復雜模型計算機總結：本次課程設計中，剛開始接觸題目的時候比較茫然，不知道改如何下手，在對設計題目的理解和分析之上就要花很長的時間。但是仔細的分析之后，對實驗的基本要求還是有了一定的理解。 通過這次課程設計，使我對簡單模型機和復雜模型機的結構和設計有了更多的了解，也了解了程序在模型機中是怎樣運行的。我認為實驗中最重要的是理解實驗過程和微程序的設計。先要讀懂程序要做什么，然后要把實驗過程轉換成八位二進制指令代碼，接下來要畫程序流程圖，最后就是把代碼轉換成模型

4、機可處理的微指令代碼。微指令代碼為模型機提供了每次需要進行什么操作，并且指出了下一條指令的地址，這樣模型機就能自己連續的運行了。 在實驗中，我發現團隊合作也是學習中一項必不可少的因素，我們小組遇到問題時，經常進行討論，每次討論都能得到不少的收獲，并且問題也能很快就能解決。在做實驗的時候，我們也會進行不同的分工，這樣就加快了做實驗的速度，所以團隊合作精神也是非常重要的。指導教師評語：成績：填表時間：指導教師簽名：目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc361346441 一、題目分析 PAGEREF _Toc361346441 h 5 HYPERLINK l _To

5、c361346442 1.1課程設計題目 PAGEREF _Toc361346442 h 5 HYPERLINK l _Toc361346443 1.2課程設計目的 PAGEREF _Toc361346443 h 5 HYPERLINK l _Toc361346444 1.3 設計要求 PAGEREF _Toc361346444 h 5 HYPERLINK l _Toc361346445 二、指令格式 PAGEREF _Toc361346445 h 6 HYPERLINK l _Toc361346446 三、總體設計 PAGEREF _Toc361346446 h 7 HYPERLINK l

6、_Toc361346447 四、實驗過程 PAGEREF _Toc361346447 h 10 HYPERLINK l _Toc361346448 4.1編寫實驗程序 PAGEREF _Toc361346448 h 10 HYPERLINK l _Toc361346449 4.2連接實驗線路 PAGEREF _Toc361346449 h 11 HYPERLINK l _Toc361346450 4.3寫程序并運行程序 PAGEREF _Toc361346450 h 11 HYPERLINK l _Toc361346451 4.4運行結果 PAGEREF _Toc361346451 h 12

7、HYPERLINK l _Toc361346452 五、程序代碼 PAGEREF _Toc361346452 h 21 HYPERLINK l _Toc361346453 六、參考文獻 PAGEREF _Toc361346453 h 21課程設計（大作業）報告一、題目分析1.1課程設計題目復雜模型機設計1.2課程設計目的綜合運用所學計算機原理實驗知識，設計并實現較為完整的計算機。1.3 設計要求（1）確定設計目標參考實驗指導書上復雜模型機設計的過程，運用其微指令格式，獨立設計指令系統。并用該指令系統中的指令編一完成簡單運算的程序（有數據輸入和輸出的）。并進行調試運行。（2）確定指令系統確定數據

8、的表示格式、位數、指令的編碼、類型、需要設計哪些指令及使用的尋址方式。（3）總體結構與數據通路總體結構設計包含確定各部件設置以及它們之間的數據通路結構。在此基礎上，就可以擬出各種信息傳送路徑，以及實現這些傳送所需要的微命令。對于部件設置，比如要確定運算器部件采用什么結構，控制器采用微程序控制。綜合考慮計算機的速率、性能價格比、可靠性等要求，設計合理的數據通路結構，采用何種方案的內總線及外總線。數據通路不同，執行指令所需要的操作就不同，計算機的結構也就不一樣。（4）設計指令執行流程數據通路確定后，就可以設計指令系統中每條指令的執行流程。根據指令的復雜程度，每條指令所需要的機器周期數。對于微程序控

9、制的計算機，根據總線結構，需考慮哪些微操作可以安排在同一個微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。（5）確定微程序地址根據后續微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉移地址。（6）根據微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉化成相應的二進制代碼，寫入到控制存儲器中的相應單元中。（7）組裝、調試在總調試前，先按功能模塊進行組裝和分調，因為只有各功能模塊工作正常后，才能保證整機的運行正確。當所有功能模塊都調試正常后，進入總調試。連接所有模塊，用單步微指令方式執行機器指令的微程序流程圖，當全部微程序流程圖檢查完后，若運行結果正確，則在內存中裝入一段機器指令，進行其他的運行方式等功能

10、調試及執行指令的正確性驗證。二、指令格式 模型機設計四大類指令共十六條，其中包括算術邏輯指令、IO指令、訪問存儲器及轉移指令和停機指令。 (1) 算術邏輯指令設計9條算術邏輯指令并用單字節表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE RsRd其中，OP-CODE為操作碼，Rs為源寄存器，Rd為目的寄存器，并規定：選中的寄存器（Rs或Rd）R0R1 R2 寄存器的編碼000110(2) 訪存指令及轉移指令模型機設計2條訪問指令，即存數(STA)、取數(LDA)、2條轉移指令，即無條件轉移(JMP)、結果為零或有進位轉移指令(BZC)。

11、其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0D7D0OP-CODEM OP-CODE RdD其中，OP-CODE為操作碼， Rd為目的寄存器，D為位移量(正負均可)，M為尋址方式，其定義如下：尋址方式 有效地址 說 明 00 E=D直接尋址01E=（D）間接尋址10E=（RI）+DRI 變址尋址11E=（PC）+D相對尋址本模型機規定變址寄存器RI指定為寄存器R2。(3) I/O指令輸入和輸出指令采用單字節指令，其格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0OP-CODE addrRd其中，addr=01 時，表示選中“輸入單元”中的開關組作為輸入設備，addr=10時

12、，表示選中“輸出單元”中的數碼管作為輸出設備。(4) 停機指令這類指令只有1條，即停機指令HALT，用于實現停機操作，指令格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 1 1 0 0 00 0 （5）指令系統復雜模型機有16條基本指令，其中算數邏輯指令7條，訪問內存指令和程序控制指令4條，輸入輸出指令2條，其它指令一條。表1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。表1 復雜模型機指令系統助記符指令格式指令長度（字節數）指令功能第一字節第二字節CLR rd01 11 00 rd無10RDMOV rs,rd10 00 rs rd無1RSRDADC rs,rd10 01 rs rd無

13、1RS+RD+cyRDSBC rs,rd10 10 rs,rd無1RS-RD-cyRDINC rd10 11 x xrd無1RD+1RDAND rs,rd11 00 rs rd無1RSRDRDCOM rd11 01 x xrd 無1DRRC rs,rd11 10 rs rd無1RS帶進位循環右移一位，然后RSRDRLC rs,rd11 11 rs rd無1RS帶進位循環左移一位，然后RSRDLDA M,D,rd00 M 00 rdD2有效數據ERDSTA M,D,rd00 M 01 rdD2RD有效地址EJMP M,D00 M 10 00D2有效地址EPCBZC M,D00 M 11 rdD2

14、當CY=1或ZI=1時，有效地址EPCIN rd01 00 01 rd無1輸入單元的數據RDOUT rd01 01 10 rd無1RD輸入單元HALT01 10 00 00無1停機三、總體設計復雜模型機的數據通路框圖如圖2-7.根據機器指令系統要求，設計微程序流程圖及確定微地址，如圖2-8. 按照系統建議的微指令格式，參照微指令流程圖，將每條微指令代碼化，譯成二進制代碼表，并將二進制代碼表轉換為聯機操作時的十六進制格式文件表2 復雜模型機微指令結構圖微程序242322212019181716151413121110987654321控制信號S3S2S1S0MCNRDM17M16 A B PuA

15、5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段P字段151413控制信號121110控制信號987控制信號000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC其中uA5uA0為6位的后續微地址，A、B、P為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。P字段中的P1P4是四個測試字位，其功能是根據機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的為地址入口，從而實現微程序的順序、分支、循環運行。具

16、體來說，P1測試用于“取指令”微指令，它用下址低四位（uA3uA0）與指令寄存器高四位（IR7IR4）相或得到各路分支；P2測試用下址低2位（uA1uA0）與指令寄存器的IR3IR2相或得到各路分支；P3測試用于條件轉移，它用下址的uA4與(ZI +CY)相或得到各路分支；P4測試用于控制臺操作，它用下址低2位（uA1uA0）與SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各測試下址中未用到的位均直接保留。AR為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分別為源寄存器選通信號，目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據機器指令來進行三個工作寄存器

17、R0、R1及R2的選通譯碼。三字段中的其他位類似與此，均是某芯片的選通信號，它們的功能都是根據機器指令來進行相應芯片的選通譯碼。復雜模型機的數據通路框圖圖2-8 復雜模型機微程序流程圖四、實驗過程4.1編寫實驗程序實驗例程如下：本實驗完成使用寄存器操作。程序首先從數據輸入開關采集數據放入R0中，經循環左移兩次放入R1中。然后再次從數據輸入開關采集數據放入R0中，經循環右移一次與R1中的數據相加，其結果送到R1中，然后判斷加法的結果是否有進位或為全零，若是就循環運行，否則，輸出結果到數碼管上顯示。實驗的機器指令程序如下：地址 內容 助記符 說明 00 44 IN R0 : 輸入單元數據R0，第一

18、次采集數據（設輸入數據為14H） 01 F0 RLC R0,R0 : R0帶進位左循環移位一次 02 F1 RLC R0,R1 : 第二次左移后保存到R1中 03 44 IN R0 : 輸入開關數據R0，第二次采集數據（設輸入數據仍為14H）04 E0 RRC R0, R0 : R0帶進位右循環移位一次05 91 ADC R0,R1 : 兩數據相加06 0C BZC 00 : 若有進位或結果為零，則跳到00地址單元07 0008 59 OUT R1 : R1輸入單元顯示09 60 HALT : 停機4.2連接實驗線路4.3寫程序并運行程序寫入程序、手動寫入（1）先將機器指令對應的微代碼正確寫入

19、28C16中（2）使用控制臺WRITE和READ微程序進行機器指令程序的手動裝入和檢查，其操作如下：A、使用控制臺單元的SPO3為“STEP”狀態，SPO4為“RUN”狀態，SPO5處于“NORM”狀態，開關SPO6處于“RUN”狀態。B、撥動開關單元的總清開關CLR（101），微地址寄存器清零，程序計數器清零。然后使開關單元的開關SWB、SWA為“01”，按動一次控制臺單元的觸動開關START，微地址燈將顯示為“001001”，再按動一次START，微地址燈顯示為“001100”，此時數據開關的內容置為要寫入的機器指令，按動兩次START鍵后，即完成該條指令的寫入。C校驗。撥動開關單元的總清

20、開關CLR（101），微地址清零。PC程序計數器清零，然后使開關單元的開關SWB、SWA為“00”，按動控制臺單元的觸動開關START，微地址燈將顯示為“010000”。再按START，微地址燈顯示為“010010”，第三次按動START，微地址燈顯示為“010111”，再按START后，此時輸出單元的數碼管顯示為該首地址中的內容。不斷按動START，以后每個循環PC會自動加1，可檢查后續單元內容。每次在微地址燈顯示為“010000”時，是將當前地址中的機器指令寫入到輸出設備中顯示。、手動運行程序（1）單步運行程序A、使控制臺單元的開關SPO5處于“NORM”狀態，SPO6處于“RUN”狀態，SPO3為“STEP”狀態，SPO4為“RUN”狀態，開關單元的開關SWB、SWA為“11”。B、撥動開關單元的總