计算机组成原理课程设计（论文）模型机组成设计

广东工业大学华立学院广东工业大学华立学院 课课 程程 设设 计（论文）计（论文）课程名称 计算机组成原理 题目名称 模型机组成设计 学生学部（系） 信息与计算机学部 专业班级 08 计算机 1 班 学 号 11010801001 学生姓名 指导教师 2011 年 01 月 03 日广东工业大学华立学院广东工业大学华立学院课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书一、课程设计（论文）的内容通过对一个简单模型机的设计与实现,对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接以及微指令执行的过程。二、课程设计（论文）的要求与数据（1）需求分析（2）系统设计（3）模块代码能正常运行（4）提供合理的测试数据（5）设计说明文档三、课程设计（论文）应完成的工作（1）采用模块化的程序设计方法，程序书写符合规范，代码应完善。（2）要有运行结果和过程的界面截图。（3）对系统进行初步的错误和漏洞检测；题目名称模型机组成设计学生学部（系）信息与计算机学部专业班级2008 级计算机科学与技术 1 班姓 名学 号11010801001（4）根据论文规范撰写论文，用A4纸打印并按时提交。四、课程设计（论文）进程安排序号设计（论文）各阶段内容地点起止日期1搜集资料图书馆10.12.10-12.142需求分析图书馆10.12.15-12.183系统分析与设计图书馆10.12.19-12.254功能模块的实现图书馆10.12.26-12.305系统测试，运行宿舍11.1.1-1.26完成课程设计（论文）宿舍11.1.2-1.3五、应收集的资料及主要参考文献1 蒋本珊 主编.计算机组成原理（第二版）M. 北京：清华大学出版社. 20022 胡越明 .计算机组成与系统结构 电子工业出版社3 白中英 主编.计算机组成原理 科学出版社 4 文哲蓉 苟平章.计算机组成原理实验指导及习题解答 甘肃教育出版社发发出任出任务书务书日期：日期： 2010 年年 12 月月 10 日日 指指导导教教师签师签名：名：计计划完成日期：划完成日期： 2011 年年 1 月月 3 日日 目录目录 1 1 . .引言引言.1 11.1 设计目的.11.2 设计意义.11.3 设计内容.12 2 . .设计过程分析与实现设计过程分析与实现.2 22.1 模型机结构.22.2 指令编码.32.2.1数据格式.32.2.2指令格式.32.2.3指令系统.42.3 微程序.42.4 应用程序.72.5 接线图.83 3 . . 调试及结果分析调试及结果分析.9 9结论结论.1010参考文献参考文献.111111 .引言引言1.1 设计目的设计目的通过对一个简单模型机的设计与实现,对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接以及微指令执行的过程。1.掌握整机动态工作过程2.了解微程序控制器的设计，构建指令系统3.组建模型机，编写应用程序进行调试1.2 设计意义设计意义本课程设计为学生提供了一个既动手又动脑，自学，查资料，独立实践的机会，也为将来设计程序积累一定的宝贵经验.让我们将本学期课本上的理论知识和实际有机的结合起来，锻炼实际分析问题和解决问题的能力。1.3 设计内容设计内容1、设计指令系统2、编写微程序3、实验接线4、编写应用程序，选择实现下列要求的一种功能（1）输入两个一位十进制数，计算两数之和，并以BCD码输出（2）输入一个一位十进制数，将其扩大5倍后以BCD码输出（3）输入一个两位十进制数，求其负值的补码（4）输入一个两位十进制数，输出八进制结果（5）输入几个数，统计大于10的数的个数（6）输入几个数，找出最大数22 .设计过程分析与实现设计过程分析与实现2.1 模型机结构模型机结构图1 模型机结构框图图1中运算器ALU由U7U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存由U13U15三片2816构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00HFFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态传输芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或串口输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。32.2 指令编码指令编码2.2.1 数据格式数据格式本实验计算机采用定点补码表示法表示数据，字长为16位，其格式如下：其中第16位为符号位，数值表示范围是：-32768X32767。2.2.2 指令格式指令格式 （1）算术逻辑指令设计9条单字长算术逻辑指令，寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：其中OP-CODE为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：OP-CODE011110001001101010111100110111101111指令CLRMOVADDSUBINCANDNOTRORROLRS或RD选定寄存器00AX01BX10CX9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1。（2）存储器访问及转移指令 存储器的访问有两种，即存数和取数。它们都使用助记符MOV，但其操作码不同。转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）。指令格式如下：7 65 43 21 000MOP-CODERDD其中OP-CODE为操作码，rd为寄存器。M为寻址模式，D随M的不同其定义也不相同，如下表所示：OP-CODE000110指令说明写存储器读存储器转移指令寻址模式M有效地址ED定义说 明00E=（PC）+1立即数立即寻址1514 13 0符号尾数 7 6 5 43 21 0OP-CODERSRD410E=D直接地址直接寻址11E=100H +D直接地址扩展直接寻址注：扩展直接寻址用于面包板上扩展的存储器的寻址。（3）I/O指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：其中，当OP-CODE=0100且addr=10时，从“数据输入电路”中的开关组输入数据；当OP-CODE=0100且addr=01时，将数据送到“输出显示电路”中的数码管显示。2.2.3 指令系统指令系统有14条基本指令，其中算术逻辑指令8条，访问内存指令和程序控制指令4条。输入输出指令2条。表1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。表1 指令格式汇编符号指令的格式功 能MOV rd，rs1000 rs rdrsrdADD rd，rs1001 rs rdrs+rdrdSUB rd，rs1010 rs rdrd-rsrdINC rd1011 rd rdrd+1rdAND rd，rs1100 rs rdrsrdrdNOT rd1101 rd rd/rdrdROR rd1110 rd rdrdROL rd1111 rd rdrd00 10 00 rdMOV D，rdDrdD00 10 01 rdMOV rd, DDDrd00 00 01 rdMOV rd,DDDrd00 00 10 00JMP DDDPCIN rd, KIN0100 10 rdKINrdOUT DISP，rd0100 01 rdrdDISP7 6 5 43 21 0OP-CODEADDRRD52.3 微程序微程序 机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令传送至指令寄存器，这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行 P1 测试，根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址，这就是“译码”过程。然后才顺序执行该段微程序，这是真正的指令执行过程。6结合微程序流程图中需要完成的功能和对由四片 74LS181 芯片所组成的算术逻辑单元ALU 的控制条件测试等的理解和认识，我们得到完整微指令表如下：微代码表7微地址（八进制）微地址（二进制）微代码（十六进制）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应用程序应用程序1： 实现的是输入一个一位十进制数，将其扩大 5 倍后以 BCD 码输出的功能，设计思路为：扩大 5 倍，用 BCD 码输出要进行修正，修正值为 10 的倍数6设输入值为 xk=x AND FEH，修正值=k1 + k2程序如下：00 0048；IN AX,KIN /AX=X01 0081;MOV BX，AX/BX=X02 0021;MOV00FF,BX/00FF=X03 00FF;04 00F0;ROL AX/AX=2X05 00F0;ROL AX/AX=4X06 0091;ADD BX，AX /BX=5X07 0024;MOV AX,00FF /AX=X08 00FF;09 0021;MOV00FE,BX/00FE=5X0A 00FE;0B 0005;MOV BX,FEH/BX=FEH0C 00FE;0D 00C1;AND BX，AX/BX=k=x AND FEH0E 0021;MOV00FD,BX/00FD=K0F 00FD;10 0024;MOV AX,00FD /AX=K11 00FD;12 00F0;ROL AX/AX=k113 0081;MOV BX，AX/BX=k114 00F0;ROL AX/AX=k215 0091;ADD BX，AX /BX=k2+k116 0024;MOV AX,00FE /AX=5X17 00FE;18 0094;ADD AX,BX /AX=5X+K2+k119 0082; MOV CX，AX /CX=AX1A 0046;OUT DISP,CX1B 00081C 00002： 实现输入一个两位十进制数，求其负值的补码设计思路：十进制数要先转换为 2 进制设数为 x，十位数为 t，个位数为 zm=t1n=m+m2 +z9将 n 取反+1程序如下：00 0048;IN AX,KIN01 0049;IN BX,KIN02 00F0;ROL AX03 0021;MOV00FF,BX04 00FF;05 0081;MOV BX,AX07 00F0;ROL AX08 00F0;ROL AX09 0094;ADD AX,BXA 0025;MOV BX 00FFB 00FF;C 0094; ADD AX,BXD 00D0;NOT AXE 00B0;INC AXF 0082;MOV CX AX1O 0046;OUT DISP,CX11 0008;JMP 2.5 接线图接线图图 2 实验连线图3 . 调试及结果分析调试及结果分析1.实验过程中遇到的错误及解决办法：10发现错误：验证机器指令时，填入一个指令地址，读出的指令代码跟正确的指令地址不对应。解决错误：主存储器电路上有一条线没有接上，接上后验证结果正确。2.数据测试与结果：（1）测试数据：1结果：0005（2）测试数据：6 结果：0018测试其它数据也得到了相应的正确结果。3.结果分析：编写正确的微程序，和正确的机器指令，再验证无误后，即可测试输入一个一位十进制数，将其扩大 5 倍后以 BCD 码输出了。结论结论通过本次的课程设计我了解了一个简单模型机的设计与实现,对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接以及微指令执行的过程。掌握整机动态工作过程，了解微程序控制器的设计，构建指令系统。虽然在实践过程中遇到了很多的问题与困难，但都一一解决，本次课程设计对我将来的学习和实践起到了很大的帮助。11参考文献参考文献1 蒋本珊 主编.计算机组成原理（第二版）M. 北京：清华大学出版社. 20022 胡越明 .计算机组成与系统结构 电子工业出版社3 白中英 主编.计算机组成原理 科学出版社 4 文哲蓉 苟平章.计算机组成原理实验指导及习题解答 甘肃教育出版社1213心得体会本学期的课程紧凑而且紧张，在短短一学期内我们便将计算机组成原理一书学完，但掌握的并不全面，通过这次的课程设计，使我对课本上的东西进行了巩固与深入，使我更加深刻的学习了这门课程，在进行这次的实践中，我也遇到了很多的问题与挫折，但通过同学以及课本和老师的帮助下，将其一一解决，而解决处理问题的过程给了我很多的经验，让我在今后的学习中得以至用。在今后的学习生活中，我会更加努力的将课本和课堂的知识运用到实践之中，提高个人的能力以及学习在面对困难时解决问题的方法,在今后我会更加努力的奋斗，使我的个人水平达到一个新的高度！2011 年 1 月 3 日教师评语 年 月 日成绩及签名 年 月 日