复杂模型机的设计及其实现.doc
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1、计算机组成原理课程设计试验汇报设计题目复杂模型机设计和实现专业班级计算机科学和技术1004指导老师日期.01.10 开发小组组员组员:岂亚娟 杨 娜 吴兴欢 刘 甜 复杂模型机设计和实现一、 课程设计目标综合利用所学计算机原理试验知识,设计并实现较为完整计算机。二、 设计要求1、确定设计目标参考试验指导书上复杂模型机设计过程,利用其微指令格式,独立设计指令系统。并用该指令系统中指令编一完成简单运算程序(有数据输入和输出)。并进行调试运行。2、确定指令系统确定数据表示格式、位数、指令编码、类型、需要设计哪些指令及使用寻址方法。3、总体结构和数据通路总体结构设计包含确定各部件设置和它们之间数据通路
2、结构。在此基础上,就能够拟出多种信息传送路径,和实现这些传送所需要微命令。对于部件设置,比如要确定运算器部件采取什么结构,控制器采取微程序控制。综合考虑计算机速率、性能价格比、可靠性等要求,设计合理数据通路结构,采取何种方案内总线及外总线。数据通路不一样,实施指令所需要操作就不一样,计算机结构也就不一样。4、设计指令实施步骤数据通路确定后,就能够设计指令系统中每条指令实施步骤。依据指令复杂程度,每条指令所需要机器周期数。对于微程序控制计算机,依据总线结构,需考虑哪些微操作能够安排在同一个微指令中,哪些微操作不能安排在同一条微指令中。5、确定微程序地址依据后续微地址形成方法,确定每条微程序地址及
3、分支转移地址。6、依据微指令格式,将微程序步骤中全部微指令代码化,转化成对应二进制代码,写入到控制存放器中对应单元中。7、组装、调试在总调试前,先按功效模块进行组装和分调,因为只有各功效模块工作正常后,才能确保整机运行正确。当全部功效模块全部调试正常后,进入总调试。连接全部模块,用单步微指令方法实施机器指令微程序步骤图,当全部微程序步骤图检验完后,若运行结果正确,则在内存中装入一段机器指令,进行其它运行方法等功效调试及实施指令正确性验证。三、 数据格式和指令格式1、数据格式模型机要求采取定点补码表示法表示数据,且字长为8位,其格式以下: 76 5 4 3 2 1 符 号尾 数2、指令格式模型机
4、设计四大类指令共十六条,其中包含算术逻辑指令、IO指令、访问存放器及转移指令和停机指令。 (1) 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示,寻址方法采取寄存器直接寻址,其格式以下:7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE RsRd其中,OP-CODE为操作码,Rs为源寄存器,Rd为目标寄存器,并要求:选中寄存器(Rs或Rd)R0R1 R2 寄存器编码000110(2) 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,即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移指令(BZC)。其格式以下:7 6 5 4 3 21 0OP-CODEM OP-CO
5、DE Rd D其中,OP-CODE为操作码, Rd为目标寄存器,D为位移量(正负均可),M为寻址方法,其定义以下:寻址方法 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相对寻址本模型机要求变址寄存器RI指定为寄存器R2。(3) I/O指令输入和输出指令采取单字节指令,其格式以下:7 6 5 4 3 2 1 0OP-CODE addrRD 其中,addr=01 时,表示选中“输入单元”中开关组作为输入设备,addr=10时,表示选中“输出单元”中数码块作为输出设备。 (4) 停机指令这类指令只有1条,即停机指令HALT,用于实
6、现停机操作,指令格式以下:7 6 5 4 3 2 1 00 1 1 0 0 00 03、指令系统(1)本模型机共有16条基础指令。其中,算术逻辑指令7条,访问内存指令和程序控制指令4条,输入输出指令2条,其它它指令1条。表1列出了各条指令格式、汇编符号、指令功效。表1 复杂模型机指令系统序号 汇编符号 指令格式 功效说明 1CLR Rd0111 00 Rd0Rd 2MOV RS,Rd1000 RS RdRSRd 3ADC RS,Rd1001 RS RdRSRdCyRd 4SBC RS,Rd1010 RS RdRSRdCyRd 5INC Rd1011 - RdRd1Rd 6AND RS,Rd11
7、00 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 00,D当CY=1或ZI=1时,EPC14IN addr, Rd0100 01 RdaddrRd15OUT addr, Rd0101 10 RdRdaddr16HALT 0110 00 00
8、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S3S2S1S0MCNWEA9A8 A B CuA5uA4uA3uA2uA1uA0 A字段B字段C字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_B001P1010LDDR1010RD_B010P2011LDDR2011RI_B011P3100LDIR100299_B100P4101LOAD101ALU_B101AR110LDAR110PC_B110LDPC其中uA5uA0为6位后继微地址,A、B、C为
9、三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。C字段中P1P4是四个测试字位,其功效是依据机器指令及对应微代码进行译码,使微程序转入对应为地址入口,从而实现微程序次序、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)和指令寄存器高四位(IR7IR4)相或得到各路分支;P2测试用下址低2位(uA1uA0)和指令寄存器IR3IR2相或得到各路分支;P3测试用于条件转移,它用下址uA4和(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)和SWB、SWA相或得到各路分支。在上述各测试下址中未用到位均直接保留。AR为算术运算是否影响
10、进位及判零标志控制位,其为零有效。B字段中RS_B、RD_B、RI_B分别为源寄存器选通信号,目标寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功效是依据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2选通译码。三字段中其它位类似和此,均是某芯片选通信号,它们功效全部是依据机器指令来进行对应芯片选通译码。(3)微程序步骤图本模型机数据通路图1所表示。依据机器指令系统要求,设计微程序步骤图及确定微地址,图2所表示.工作时序波形图图3所表示指令译码器及逻辑表示式图4所表示寄存器译码器图5所表示 图3 时序波形图 图4 指令译码器 SE1=I4T4P1+I2T4P2+P4T4SWA SE2=I5T4P1+I3T
11、4P2+P4T4SWB SE3=I6T4P1 SE4=I7T4P1 SE5=P3T4(FC+FZ) 图5 寄存器译码器 图1 复杂模型机设计数据通路图 图2 微程序步骤图微地址S3CN WEA9 A8ABCuA5uA000000000011000000100001000010000000111101101100000100200000000110000000101000020000000011110110110000011030000000010100000000001000400000000111000001010000040000000001110110110000101050000000
12、011100000000001100600000000101000000000011107000000001110000010100000220000000111101101100011011500000000101000000000111016100101011110101000100101451001010110101010101000002300000001111011011010011046000000001010000000100111470000000110111100001010005010010101111010100010100151100101011010101010100
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