计算机组成原理与系统结构专业课程设计.doc
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1、计算机组成原理和系统结构课程设计班级学号:0137-2-8学生姓名:李 乐指导老师:王 森、陈 媛计算机科学和工程学院1月目 录一、课程设计目标3二、模型机设计步骤3三、试验装置4四、设计题目4题目一:4题目二:4题目三:4题目四:4五、课程设计心得4六、附录4附录1(数据通路):4附录2(系统连线参考图)4附录3 (微指令格式)42七、参考文件.22一、课程设计目标经过对一个简单计算机设计,对计算机基础组成、部件设计、部件间连接、微程序控制器设计、微指令和微程序编制和调试等过程有更深了解,加深对理论课程了解。二、模型机设计步骤设计一台完整计算机,大致需按以下次序来考虑:1. 确定设计目标确定
2、所设计计算机功效和用途。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,并给出具体编码,比如指令操作码,地址码等位数及多种编码含义。3. 确定总体结构(寄存器、加法器、选择器设置和数据通路设计)总体结构设计包含确定各部件设置和它们之间数据通路结构。在此基础上,就能够拟出多种信息传输路径,和实现这些传输所需要微命令。对于部件设置,比如要确定运算器部件采取什么结构,控制器是微程序控制还是硬联控制等。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,确定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
3、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,确定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条微指令中,哪些微操作不能安排在同一条微指令中。5. 确定微程序地址确定后续微地址形成方法,确定每个微程序地址及分支转移地址。6. 微指令代码化依据微指令格式,将微程序步骤中全部微指令代码化。首先写出每个微地址和该地址对应微指令代码(共24位二进制信息),以下表所表示:微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA00 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 0
4、1 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0其中:微地址表示控制存放器地址,后面24位表示微指令。然后将每个微地址和对应微指令转换成16进制,并写在一行,格式为:$M*,前面2个*表示该微指令在微控制器中地址,后面6个*表示该微指令代码。如上述表中四条微指令写成:$M00018110:表示在控制存放器地址00h处代码是018110h。
5、$M0101ED82:表示在控制存放器地址01h处代码是01ED82h。$M0200C048:表示在控制存放器地址02h处代码是00C048h。$M0300E004:表示在控制存放器地址03h处代码是00E004h。7 编写工作程序并代码化编写测试用工作程序,并写出内存映像,用二进制表示。然后代码化用16进制来表示,格式为:$P*,前面2个*表示该内存地址,后面2个*表示该地址数据。比如:$P0044:表示在内存地址00h处数据是44h。$P0146:表示在内存地址01h处数据是46h。8 联机操作文件建立为了从PC机下载工作程序和微程序,需要建立联机操作文件,该文件是一般文本文件,扩展名为T
6、XT,可用记事原来建立,要求:a、 测试用工作程序排在文件前面,每个内存地址及代码占一行;b、 微指令代码排在文件后面,每个微地址及微指令代码占一行;比如,下面是一个试验文件(文件名:sample.txt):$P0044$P0146$P0298$M00018108$M0101ED82$M0200C0509连接试验线路依据附录2试验线路图连接试验线路,其中第1题和第2题用图1(简单模型机连线图)连线,第3题和第4题用图2(复杂模型机连线图)连线。10下载工作程序和微程序使用唐全部软件将工作程序和微程序下载到试验箱内存和控制存放器中。其中,自带电源线试验箱用NCMP53软件,开启软件后使用F4装载
7、进行下载;外接电源线试验箱用CMPP软件,开启软件后在菜单中选择转储/装载进行下载。11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,才能确保整机正常运行。能够使用控制台命令SWA、SWB不一样取值,或使用联机软件检验内存程序是否正确,微程序是否正确。当全部功效模块全部调试正常后,进入总调试。能够使用单步微指令方法实施工作程序,也能够直接使用连续方法实施程序。在实施过程中,能够经过联机软件数据通路图查看信息在计算机中传送路径,更有利于掌握数据通路结构。这么也能够直接验证程序和微程序正确性。假如运行结果不正确,需要返回来修改程序或微程序,每次修改后,需要重新完成第10
8、步,将程序和微程序下载到试验箱中。三、试验装置TDN-CM+计算机组成原理教学试验系统一台,排线若干。四、设计题目题目一:1. 试验要求:设计一台模型计算机,实现下列指令系统,并经过给定工作程序验证上述指令系统。本设计实现模型机共包含五条机器指令:IN(输入)、ADD(加法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),其指令格式以下(前4位为操作码):助记符机器指令码(二进制)说明微程序入口地址(八进制)IN00000000“INPUT DEVICE”中开关状态R010(取指令后续微指令默认地址为10)ADD addr00010000 XXXXXXXXRO+addrR011STA
9、addr00100000 XXXXXXXXROaddr12OUT addr00110000 XXXXXXXXaddrLED13JMP addr01000000 XXXXXXXXaddrPC14其中IN为单字长(8位),其它为双字长指令,XXXXXXXX为addr对应二进制地址码。2. 在测试程序装入内存后,机器自动实施控存中00号微指令,产生控制台命令,其步骤以下(01为取指微指令地址):3. 依据附录2图1(简单模型机连线图)连接试验线路。4. 本设计工作程序内存映象(装入起始地址00H)以下:地址(二进制)内容(二进制)助记符说 明十六进制代码0000 00000000 0000IN将输入
10、数据送R0寄存器00000000 00010001 0000ADD OAH01100000 00100000 1010RO+0AHR0020A0000 00110010 0000STA 0BH03200000 01000000 1011R00BH040B0000 01010011 0000OUT 0BH05300000 01100000 10110BHLED060B0000 01110100 0000JMP 0107400000 10000000 000101HPC08010000 10100000 0001输入自定数据0A015. 本设计程序步骤图以下:6. 微程序(关键ADD部分)微地址S
11、3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABCUA5UA0(后续地址)十六进制代码0 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 00300E0040 40 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 10400B0050 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 00501A2060 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 106959A010 90 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0
12、0 0 1 10901ED83分析:程序思想以下:首先将输入数据送R0寄存器,然后送到ALU单元实施ADD操作,加法完成后将结果再送到R0寄存器,然后STA跳转,将R0寄存器数据送到0BH,然后送显示器显示,送显后立即JMP指令回到微程序01步,即继续实施ADD加法,一直循环。微程序中,当A9=0,A8=0时,选中Y0; 当A9=0,A8=1时,选中Y1; 当A9=1,A8=0时,选中Y2; 当A9=1,A8=1时,选中Y3 微指令解释:指令中S3CN为全0表示不实施任何运算操作,A9,A8如开始解释表示选择外设,均为1表示选中扩展单元(EX UNIT)Y3,而依据试验接线图可知,Y3表示不做
13、任何操作,A,B,C字段为依据试验线路图中起作用单元,从09开始A,B,C分别为110,110,110表示LDAR,PC-B,LDPC有效(附录图3),依据数据通路图,即是PC-AR,PC并自动+1,UA5UA0为000011,即下址为下一条微指令地址03H。09实施完后依据下址抵达03,其中 A9,A8为01即是选中Y1,Y1和WE相连表示存放器工作,即RAM-BUS-AR,后续地址为04H。04指令中,A,B,C字段分别为011,000,000表示LDDR2有效,即表示将内存中数据传送到DR2寄存器中,RAM-BUS-DR2,后续地址为05H。05这条指令A,B,C字段为010,001,0
14、00,即是LDDR1,RS-B有效,表示叫R0数据传送到DR1寄存器中,R0-DR1,后续地址为06H。06指令既为ADD运算,S3CN为100101,A,B,C字段为001,101,000,即LDRi,ALU-B逻辑运算单元有效,实施运算操作,将DR1和DR2中数据相加,完成后将结果传送到R0,(DR1)+(DR2)-R0。即完成了一次加法操作。ADD指定完成后有JMP跳转到01H。一直循环进行加法运算, 微指令代码以下:$M00018110$M0700E00D$M0E00E00F$M15070A01$M0101ED82$M08001001$M0F00A015$M1600D181$M0200
15、C048$M0901ED83$M1001ED92$M17070A10$M0300E004$M0A01ED87$M1101ED94$M18068A11$M0400B005$M0B01ED8E$M1200A017$M0501A206$M0C01ED96$M13018001$M06959A01$M0D028201$M14007. 测试数据:FEH结果为:FE-FF-00-01-FE-FF-00- 一直循环,每次加1。8. 结果分析:ADD实施是不产生进位加法,所以试验结果只是每次在原来数据上加01H。不产生进位加。题目二: 试验要求:设计一台模型计算机,实现下列指令系统,并经过下列工作程序验证上述指
16、令系统。本模型机共包含五条机器指令:IN(输入)、ADD(加法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移),其指令格式以下(前4位为操作码):助记符机器指令码说明微程序入口地址(八进制)IN00000000“INPUT DEVICE”中开关状态R010(取指令后续微指令默认地址为10)ADC Imm00010000 XXXXXXXXRO+ Imm+cyR011STA addr00100000 XXXXXXXXROaddr12OUT addr00110000 XXXXXXXXaddrLED13JMP addr01000000 XXXXXXXXaddrPC14其中IN为单字长(8位),
17、其它为双字长指令,XXXXXXXX为addr对应二进制地址码或Imm所对应二进制数据(补码形式)。 连接试验线路在测试程序装入内存后,机器自动实施控存中00号微指令,产生控制台命令,其步骤以下(01为取指微指令地址): 依据附录2图1(简单模型机连线图)连接试验线路。 本设计实现模型机共包含五条机器指令:IN(输入)、ADC(带进位加法)、STA(存数)、OUT(输出)、JMP(无条件转移) 。本设计工作程序内存映象(装入起始地址00H)以下:地址(二进制)内容(二进制)助记符说 明十六进制代码0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器00000000 00010001 0
18、000ADC O1H01100000 00100000 0001RO+01H+cyR002010000 00110010 0000STA 0AH03200000 01000000 1010R00AH040A0000 01010011 0000OUT 0AH05300000 01100000 10100AHLED060A0000 01110100 0000JMP 0107400000 10000000 000101HPC08010000 10100000 0001输入自定数据0A01本设计程序步骤图以下: 微程序解释(关键解释ADC)微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8ABC
19、UA5UA0(后续地址)十六进制代码0 40 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 10400B0050 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 00501A2060 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 11 0 10 0 0 0 0 106959B410 90 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 0 00901ED84分析:程序思想以下:首先将输入数据送R0寄存器,然后送ALU单元实施ADC操作,ADC为带进位加法,所以结果是在ADD基础上又多加了
20、一个CY(进位标志),ADC完成后结果送到R0寄存器,然后STA跳转,将R0寄存器数据送到0AH,然后送显示器显示,送显后立即JMP指令回到微程序01步,即回到ADC继续实施带进位加法,一直循环。微程序中,当A9=0,A8=0时,选中Y0; 当A9=0,A8=1时,选中Y1; 当A9=1,A8=0时,选中Y2; 当A9=1,A8=1时,选中Y3 微指令解释:指令中S3CN为全0表示不实施任何运算操作,A9,A8表示选择外设,均为1表示选中扩展单元(EX UNIT)Y3,即为不做任何操作,从09开始,A,B,C字段分别为110,110,110表示LDAR,PC-B,LDPC有效(附录3说明),依
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