組成原理課程設計報告正式版

燕山大學

課程設計報告

名稱：複雜模型機的設計與實現

學院資訊科學與工程學院

年級專業 08級電腦科學2班

學生姓名胡龍飛

學號 080104010099

指導教師鄒曉紅

日期 2011 年 1 月

目錄一、概述

一）設計主要完成的任務

二）解決的主要問題

1、確定設計目標

2、確定指令系統

3、總體結構與資料通路

4、設計指令執行流程

5、確定微程式位址

6、寫指機器指令

7、組裝、除錯

二、設計的基本概念和原理

一）設計的基本概念

二）設計的原理

1、資料格式

2、指令格式

3、指令系統

三、總體設計

1、微程式流程圖

2、微位址

四、詳細設計

一）指令的基本流程

五、完成的情況

設計的程式

六、總結

模型計算機及其設計

一、概述

一）設計主要完成的任務

利用實驗室的tdn-cm++教學實驗箱，組建乙個較為複雜的模型計算機。並驗證其能夠正常執行。

二）解決的主要問題

1、確定設計目標

確定所設計計算機的功能和用途。

2、確定指令系統

確定資料的表示格式、位數、指令的編碼、型別、需要設計哪些指令及使用的定址方式。

3、總體結構與資料通路

總體結構設計包含確定各部件設定以及它們之間的資料通路結構。在此基礎上，就可以擬出各種資訊傳送路徑，以及實現這些傳送所需要的微命令。

對於部件設定，比如要確定運算器部件採用什麼結構，控制器採用微程式控制還是硬佈線控制等。

綜合考慮計算機的速率、效能**比、可靠性等要求，設計合理的資料通路結構，採用何種方案的內匯流排及外匯流排。資料通路不同，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

資料通路確定後，就可以設計指令系統中每條指令的執行流程。

根據指令的複雜程度，每條指令所需要的機器週期數。對於微程式控制的計算機，根據匯流排結構，需考慮哪些微操作可以安排在同乙個微指令中，哪些微操作不能安排在同一條微指令中。

5、確定微程式位址

根據後續微位址的形成方法，確定每條微程式位址及分支轉移位址。

6、寫指機器指令

根據微指令格式，將微程式流程中的所有微指令**化，轉化成相應的二進位制**，寫入到控制儲存器中的相應單元中。

7、組裝、除錯

在總除錯前，先按功能模組進行組裝和分調，因為只有各功能模組工作正常後，才能保證整機的執行正確。

當所有功能模組都除錯正常後，進入總除錯。連線所有模組，用單步微指令方式執行機器指令的微程式流程圖，當全部微程式流程圖檢查完後，若執行結果正確，則在記憶體中裝入一段機器指令，進行其他的執行方式等功能除錯及執行指令的正確性驗證。

二、設計的基本概念和原理

一）設計的基本概念

掌握計算機系統各模組的工作原理及相互間的聯絡，熟悉計算機內部的資料流向，清晰建立計算機整機概念。並在基本模型機的基礎上，進一步由淺入深，熟練和掌握帶移位運算模型機設計、複雜模型機設計、可重構原理計算機組成等，通過學生自己動手和實踐，鞏固、加強基本概念的理解，拓展對疑難問題的思路，將所學的知識綜合運用，適應各類計算機開發和應用的需要，為深入學習計算機後續課程打下良好基礎。通過乙個複雜模型機的設計實驗來進行實際的計算機設計和實現，然後用cpld來實現乙個cpu中的大部分功能的設計實驗。

二）設計的原理

1、資料格式

模型機規定採用定點補碼表示法表示資料，且字長為8位，其格式如下：

2、指令格式

模型機設計的四大類指令一共十六條，其中包括算術邏輯指令、i/o指令、訪問及轉移指令和停機指令。

1) 算術邏輯指令

設計9條算術邏輯指令並用單位元組表示，定址方式採用暫存器直接定址，其格式如下：

其中，op－code為操作碼，rs為源暫存器，rd為目的暫存器，並規定：

9條算術邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表1

2) 訪存指令及轉移指令

模型機設計2條訪存指令――存數（sta）和取數（lda），2條轉移指令――無條件轉移（jmp）和結果為零或有進製轉移指令（bzc），這4條指令長度為2個位元組，其指令格式為：

其中，op－code為操作碼，rd為目的暫存器位址（lda、sta指令使用）。d為偏移量（正負均可），m為定址模式，其定義如下：

本模型機規定變址暫存器ri指定為暫存器r2。

3) i/o指令

輸入（in）和輸出（out）指令採用單位元組指令，其格式如下：

其中，addr＝01時，選中「input device」中的開關組作為輸入裝置，addr＝10時，選中「output device」中的數碼塊作為輸出裝置。

4) 停機指令

指令格式如下：

halt指令用於實現停機操作。

3、指令系統

本模型機共有16條基本指令，其中算術邏輯指令7條，訪存指令和程式控制指令4條，輸入輸出指令2條，其它指令1條，表列出了各條指令的格式、彙編符號、指令功能。

表1三、總體設計

一）實現的方法

1、微程式流程圖

根據機器指令系統的要求，設計微程式流程圖如下：

圖1：微程式流程圖

2、微程式

$m00088101

$m0182ed01

$m0250c000

$m0304a000

$m04a0e000

$m0506e000

$m0607a000

$m07a0e000

$m088aed01

$m098ced01

$m0a3ba000

$m0b018001

$m0c3c2000

$m0d0ea000

$m0e0fb601

$m0f25ea95

$m1083ed01

$m1185ed01

$m128ded01

$m13a6ed01

$m14011000

$m15010403

$m16168001

$m17019a3d

$m18019201

$m192aa201

$m1a2cb201

$m1b32a201

$m1c33a201

$m1d36a201

$m1e378231

$m1f398231

$m20019000

$m21018402

$m2281db05

$m23e48001

$m24018001

$m25a0aa95

$m2627a000

$m2728bc01

$m2829ea95

$m29a0aa95

$m2a2bb401

$m2b419b95

$m2c2da401

$m2d6eab65

$m2e019acd

$m2f30aa01

$m3071810d

$m31419b95

$m32019a01

$m3335b401

$m3481db05

$m35419bb9

$m36019a0d

$m37388829

$m38019801

$m393a8819

$m3a019801

$m3b080a07

$m3c098a06

四、詳細設計

一）指令的基本流程

五、完成的情況

設計的程式

程式助記符

$p00 71clr r1

$p01 70clr r0

$p02 45in r1

$p03 05sta r1 50

$p04 50

$p05 45in r1

$p06 05sta r1 51

$p07 51

$p08 45in r1

$p09 05sta r1 52

$p0a 52

$p0b 01lda r1 50

$p0c 50

$p0d 02lda r2 51

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