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1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 課程名稱 計(jì)算機(jī)組成原理 課題名稱 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 網(wǎng)絡(luò)工程 班 級(jí) 班 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2024年 X月X 日 XX學(xué)院 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 課程名稱 計(jì)算機(jī)組成原理 課 題 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 網(wǎng)絡(luò)工程班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2024年7月8 日 任務(wù)完成日期 2024年9月2日 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求 1設(shè)計(jì)內(nèi)容 模型機(jī)是由五個(gè)部分組成的計(jì)算機(jī)，通過它可以理解計(jì)算機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能，理解CPU、存儲(chǔ)器、中斷控制器、總線的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)邏輯和各部件之間的接口關(guān)系。本次

2、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用西安唐都公司的TDN.CMxx的內(nèi)部可編程資源，設(shè)計(jì)一個(gè)模型計(jì)算機(jī)。本課程設(shè)計(jì)的主要目的是通過部件級(jí)的模型機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)由5部分組成，掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，從“指令微指令微操作”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。 2設(shè)計(jì)要求： (1) 借助于TDN.CMxx的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲(chǔ)器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時(shí)序信號(hào)單元，寄存器組，總線，輸入輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計(jì)一臺(tái)的模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)包括模型計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用匯編語言完

3、成設(shè)計(jì)并調(diào)試成功。 (2) 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)要求 (參考P107.115) 模型機(jī)設(shè)計(jì)四大類指令共十六條，其中包括算術(shù)邏輯指令、I/O 指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令。 設(shè)計(jì)9條算術(shù)邏輯指令并用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址。 設(shè)計(jì)2條訪內(nèi)指令，即存數(shù)（STA）、取數(shù)（LDA），2 條轉(zhuǎn)移指令，即無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、結(jié)果為零或有進(jìn)位轉(zhuǎn)移指令（BZC）。 設(shè)計(jì)2 條I/O 指令，輸入（IN）和輸出（OUT）指令采用單字節(jié)指令。 設(shè)計(jì)停機(jī)指令1條用單字節(jié)表示。 (3) 調(diào)試的程序 第一組 地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符說明 $P 44 IN 01 R0 INPUT device.R0 $

4、P01 46 IN 01 R2 INPUT device.R2 $P02 98 ADC R2 R0 R2xR0xCY.R0 $P03 81 MOV R0 R1 R0.R1 $P04 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P05 0C BZC .PC $P06 第二組 地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符說明 $P 45 IN 01 R1 INPUT device.R1 $P01 LDA R0 (20). R0 $P02 20 $P03 86 MOV R1 R2 R1.R2 $P04 A8 SBC R2 R0 R2.R0.CY.R0 $P05 F5 RLC R1 R1 R1右移一位 $P06 0C

5、 BZC .PC $P07 第三組 地址（H） 內(nèi)容（H） 助記符說明 $P 46 IN 01 R2 INPUT device.R2 $P01 84 MOV R2 R0 R2. R0 $P02 44 IN 01 R0 INPUT device.R0 $P03 98 ADC R2 R0 R2xR0xCY.R0 $P04 E2 COM R2 NOT R2 .R0 $P05 D6 STA 0A R2 R2 .(0A) $P06 0A $P07 0C BZC .PC $P08 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以小組為單位完成相關(guān)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)測(cè)試和記錄并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥?要求,同一小組的每個(gè)同學(xué)必須分析一條不同的

6、機(jī)器指令的微程序的組成,說明組成該機(jī)器指令的每一條微指令的微命令(不同的控制信號(hào)的組成)。要求修改一條微指令。 (4)按本任務(wù)書的要求，編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告（Word文檔格式）。并用A4的復(fù)印紙打印并裝訂。 (5)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，請(qǐng)各班學(xué)習(xí)委員收齊課程設(shè)計(jì)報(bào)告在星期五交陳華光老師。 3分組及安排 分5組，學(xué)號(hào)除以5取余數(shù)，余數(shù)為0的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)1、余數(shù)為1的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)2，余數(shù)為2的同學(xué)做復(fù)雜模型機(jī)3，余數(shù)為3的同學(xué)做基于RISC的模型機(jī)，余數(shù)為4的做流水線模型機(jī)，每個(gè)組必須獨(dú)立完成指定的題目，每個(gè)同學(xué)按要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 4成績(jī)?cè)u(píng)定 程序設(shè)計(jì)方案是否合理；程序設(shè)計(jì)是否正確；調(diào)試結(jié)

7、果；設(shè)計(jì)說明書的質(zhì)量高低；答辯時(shí)回答問題情況；課程設(shè)計(jì)周表現(xiàn)情況；總評(píng)成績(jī)記入“課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表”。 二、進(jìn)度安排 第 1周.2 周，具體安排如下： 星期 時(shí)間 班級(jí) 內(nèi)容 地點(diǎn) 第1周 一 上午8:.12. 計(jì)算機(jī)202481 接線 E.510 二 下午2.3:0.6.30 計(jì)算機(jī)202481 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn) E.510 三 上午8:.12. 計(jì)算機(jī)202481 調(diào)試 E.510 三 下午2.3:0.6.30 計(jì)算機(jī)202401/02 調(diào)試 E.510 四 下午2.3:0.6.30 計(jì)算機(jī)202401/02 接線 E.510 五 下午2.3:0.6.30 計(jì)算機(jī)202401/02 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)

8、現(xiàn) E.510 一 下午2.3:0.6.30 網(wǎng)工202401/02 接線 E.510 二 上午8:.12. 網(wǎng)工202401/02 調(diào)試 E.510 四 下午2.3:0.6.30 網(wǎng)工202401/02 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn) E.510 目錄 一 課題的主要功能 1 二 總體設(shè)計(jì)方案 2 2.1 復(fù)雜模型機(jī)的邏輯框圖 2 2.2用框圖語言表示模型機(jī)的指令執(zhí)行流程 3 三 數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì) 3 3.1數(shù)據(jù)格式 3 3.2模型機(jī)的尋址方式 4 3.3 指令格式 5 四 指令和和微程序的設(shè)計(jì) 8 4.1指令系統(tǒng) 8 4.2微程序的設(shè)計(jì) 8 五 線路連接圖 12 六 微程序流程及說明 13 七 課程

9、設(shè)計(jì)的收獲及體會(huì) 17 八 參考資料 19 一 課題的主要功能 此次課題的目的是完整設(shè)計(jì)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步建立整機(jī)的概念。借助于TDN.CMxx的內(nèi)部可編程資源，運(yùn)算器單元，控制存儲(chǔ)器，微命令寄存器，地址轉(zhuǎn)移邏輯，微地址寄存器，控制時(shí)序信號(hào)單元，寄存器組，總線，輸入輸出單元等，用微程序的方式設(shè)計(jì)一臺(tái)的模型計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)包括模型計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用匯編語言完成設(shè)計(jì)并調(diào)試成功因此我們先通過一個(gè)復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，然后安排了用CPLD 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)CPU 中的大部分功能的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，接著討論了輸入輸出系統(tǒng)的概念、分類、接口、尋址、基本控制方式等，根據(jù)后續(xù)

10、微地址的形成方法，確定每條微程序地址及分支轉(zhuǎn)移地址。根據(jù)微指令格式，將微程序流程中的所有微指令代碼化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，寫入到控制存儲(chǔ)器中的相應(yīng)單元中。在總調(diào)試前，先按功能模塊進(jìn)行組裝和分調(diào)，因?yàn)橹挥懈鞴δ苣K工作正常后，才能保證整機(jī)的運(yùn)行正確。當(dāng)所有功能模塊都調(diào)試正常后，進(jìn)入總調(diào)試。連接所有模塊，用單步微指令方式執(zhí)行機(jī)器指令的微程序流程圖，當(dāng)全部微程序流程圖檢查完后，若運(yùn)行結(jié)果正確，則在內(nèi)存中裝入一段機(jī)器指令，進(jìn)行其他的運(yùn)行方式等功能調(diào)試及執(zhí)行指令的正確性驗(yàn)證。在驗(yàn)證正確后再自己修改幾條微程序，再調(diào)試驗(yàn)證是否達(dá)到自己的目的。 二 總體設(shè)計(jì)方案 2. 1 復(fù)雜模型機(jī)的邏輯框圖 以控制器為

11、中心，首控制器從指令寄存器取得指令，編譯指令，再輸出微控制信號(hào)，控制ALU的運(yùn)算，PC加一，并且從RAM中取出數(shù)據(jù)運(yùn)算，運(yùn)算后再把結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線存到RAM，在指令寄存器讀去下一條指令，依次循環(huán)。 圖1 復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖 2.2 用框圖語言表示模型機(jī)的指令執(zhí)行流程 圖2 模型計(jì)算機(jī)邏輯框圖 三 數(shù)據(jù)格式和尋址方式的設(shè)計(jì) 3.1 數(shù)據(jù)格式 模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，且字長(zhǎng)為位，其格式如下： 符號(hào) 尾 數(shù) 其中第 7 位為符號(hào)位，相對(duì)于十進(jìn)制數(shù)值表示范圍是：2 7X2 71。 3.2 模型機(jī)的尋址方式 操作數(shù)的尋址就是尋找形成操作數(shù)在主存中的地址的方法。 設(shè)指令格式如下： 操作碼

12、（OP） 尋址特征 形式地址 形式地址（D）：指令地址字段中給出的地址。 有效地址（EA）：形式地址經(jīng)過一定計(jì)算而得到的操作數(shù)的實(shí)際地址。 常用尋址方式如下： (1)隱含尋址：指令中不指出操作數(shù)的地址，而是隱含在累加器或堆棧等，由它們給出操作數(shù)。 (2)立即尋址：指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身。即數(shù)據(jù) data = D。 (3) 直接尋址：操作數(shù)的地址直接在指令中給出，即操作數(shù)的有效地址為 EA = D。 (4)間接尋址：指令的形成地址 D 在主存相應(yīng)單元中的內(nèi)容是操作數(shù)的地址，即操作數(shù)的有效地址為 EA =（D）。 (5)寄存器尋址：指令中給出的是寄存器號(hào) R，操作數(shù)就

13、是寄存器中的內(nèi)容，即 data=（R）。 (6) 寄存器間接尋址：指令中給出的是寄存器號(hào) R，而操作數(shù)的地址就是寄存器中的內(nèi)容， 即 EA =（R）。 (7)相對(duì)尋址：操作數(shù)地址為程序計(jì)數(shù)器 PC 中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之 和，位移量 D 通常以補(bǔ)碼形式給出，可正可負(fù)。 即 EA=（PC）xD。 (8) 基址尋址：操作數(shù)地址為基址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和，即 EA=（R）基址 xD (9)變址尋址：操作數(shù)地址為變址寄存器中的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量 D 之和， 3.3 指令格式 由于本模型機(jī)機(jī)器字長(zhǎng)只有8位二進(jìn)制長(zhǎng)度，故使用單字長(zhǎng)指令和雙字長(zhǎng)指令。根據(jù)要求,設(shè)計(jì)該模型機(jī)能執(zhí)行的不同指令，例指令格式及功能如下： (1) 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令 9 條算術(shù)邏輯指令的名稱、功能和具體格式見表 3.1.1 表 3.1.1 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令用單字節(jié)表示，尋址方式采用寄存器直接尋址，其格式如下