基本模型机的设计——跳转指令的实现课程设计任务书1

基本模型机的设计——跳转指令的实现课程设计任务书1 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名: 专业班级: 指导教师: 工作单位: 题 目: 基本模型机的设计——跳转指令的实现 初始条件: 理论:学完“电工电子学”、“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、和“计算机组成原理”课程，掌握计算机组成原理实验平台的使用。 实践:计算机学院科学系实验中心提供计算机、实验的软件、硬件平台，在实验中心硬件平台验证设计结果。 要求完成的主要任务: (包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求) 1、基本模型机系统分析与设计，利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念。 2、根据课程设计题目的要求，编制实验所需的程序，上机测试并分析所设计的程序。 3、课程设计的书写报告应包括: (1)课程设计的题目。 (2)设计的目的及设计原理。 (3)根据设计要求给出模型机的逻辑框图。 (4)设计指令系统，并分析指令格式。 (5)设计微程序及其实现的方法(包括微指令格式的设计，后续微地址的产 生方法以及微程序入口地址的形成)。 (6)模型机当中时序的设计安排。 (7)设计指令执行流程。 (8)给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序。 (9)说明在使用软件HKCPT的联机方式与脱机方式的实现过程(包括编制程 序中跳转指令的时序分析，累加器A和有关寄存器、存储器的数据变化 以及数据流程)。 (10)课程设计总结(设计的特点、不足、收获与体会)。 时间安排: 周一:熟悉相关资料。 周二:系统分析,设计程序。 周三、四:编程并上实验平台调试 周五:撰写课程设计报告。 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 1 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 基本模型机的设计 ——跳转指令的实现 一、设计的目的及设计原理 1、设计目的 基本模型机系统分析与设计，就是要求我们利用所学的计算机组成原理课程中的知识和提供的实验平台完成设计任务，从而建立清晰完整的整机概念。掌握计算机组成原理实验平台的使用。 本次课程设计的主要目的有两个:1、掌握各个单元模块的工作的原理,进一步将其组成完整的系统,构造一台基本的模型计算机;2、学会 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 读/写内存、寄存器、数值 并且编写相应的微程序,在具体上机的过程中,调试各个模块单元以便进一计算等功能, 步掌握整机的概念。 2、设计原理 在各个模块试验中，各模块的控制信号都是由实验者手动模拟产生的，而在真正的试验系统中，模拟机的运行是在微程序的控制下，实现特定指令的功能。在本实验平台中，模拟机从内存中取出、解释、执行机器指令都将由微指令和与之相配合的时序来完成，即一条机器指令对应一个微程序。 二、设计模型机的逻辑框图 简单的模型计算机是由算术逻辑运算单元、微程序单元、堆栈寄存器单元、累加器、启停、时序单元、总线和存储器单元组成。 在本次设计中采用硬件与软件相结合的方式。实验开始之前，只需进行少量的数据线的链接。整体日上不仅仅减少了手动连线给实验带来的复杂性，而且使得整个实验趋于自动化，可以在电脑软件的辅助下观察到清晰的机器步骤和结果，大大简化了实验过程。 根据设计要求，对试验仪硬件资源进行逻辑组合，便可设计出该模型机的整机逻辑框图。图一 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的就是实验计算机整机逻辑框图。 2 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 图一 整机逻辑框图 在模型机中，将要实现RAM的读/写指令，寄存器的读/写指令，跳转指令，ALU的加减、与、或指令。把通用寄存器作为累加器A，进行左、右移等指令，整体构成一个单累加器多寄存器的系统。 三、指令系统的设计 本实验平台内采用的是8位数据总线和8位地址总线方式，在设计指令系统时应考虑有哪几种类型的指令，哪几种寻址方式和编码方式。 1、指令系统 一般的指令系统包含有一下五类指令:算术/逻辑运算类指令(加-ADD、减-SUB)、移位操作类指令(带位左移-RLC、带位右移-RRC)、数据传送类指令(MOV)、程序跳转指令(无条件跳转-JMP、数值为零跳转-JZ、进位为零跳转-JC)、存储器操作类指令(STA)。最后还有一个停机指令(HALT)。 2、指令格式 主要包括指令的寻址方式和编码方式。寻址方式分为直接寻址、寄存器直接寻址、 3 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 寄存器间接寻址、立即数寻址。一般指令由操作码和地址码组成，高位为操作码，低位 为地址码。下面依次分析各类寻址方式的指令格式。 ?直接寻址 如双字节指令STA 高位——操作码 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 低位——地址码 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ?寄存器直接寻址 指令字节中含有寄存器选择码，决定选择哪个寄存器进行操作。 如单字节指令 MOV A，Ri 操作码和寄存器选择码在一起 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 如双字节指令 MOV Ri，#data 高位——操作码和寄存器选择码 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 低位——数据 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ?寄存器间接寻址 如单字节指令 MOV A，@Ri 操作码和寄存器选择码在一起 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 ?立即数寻址 如MOV Ri，#data 高位——操作码和寄存器选择码 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 低位——数据 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 4 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 四、设计微程序及其实现的方法 在本实验平台的硬件设计是采用的24位微指令，若微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，那么至多可有24个微操作控制信号，可由微代码直接实现。若采用多组编码 n译码，那么24位的微代码通过二进制译码可实现2个互斥的微操作控制信号。 由于模型机指令系统规模较小，功能也不太复杂，所以采用全水平不编码纯控制场的微指令格式。在模型机中，用指令操作码的高4位作为核心扩展成8位的微程序入口地址MD0-MD7。这种方法称为“按操作码散转”。如下表一所示。 指令操作码 微程序首地址 MD7、MD6 I7 I6 I5 I4 MD1、MD0 MD7~MD0 0 0 0 0 0 1 003H 0 0 0 0 1 1 007H 0 0 0 1 0 1 00BH 0 0 0 1 1 1 00FH 0 0 1 0 0 1 013H 0 0 1 0 1 1 017H 0 0 1 1 0 1 01BH 0 0 1 1 1 1 01FH 0 1 0 0 0 1 023H 0 1 0 0 1 1 027H 0 1 0 1 0 1 02BH 0 1 0 1 1 1 02FH 0 1 1 0 0 1 033H 0 1 1 0 1 1 037H 0 1 1 1 0 1 03BH 0 1 1 1 1 1 03FH 表一 操作码散转 每条指令由不超过4条的微指令组成，那么可以根据下表表二组成每条微程序的首地址。 5 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 MD7 MD6 MD5 MD4 MD3 MD2 MD1 MD0 0 0 I7 I6 I5 I4 1 1 表二 微程序首地址形成 微指令的运行顺序为下地址确定法，即采用计数增量方法，每条微指令执行过后微地址自动加一，指向下一条微指令地址。例如确定了一条程序的微程序入口地址为07H，当执行完07H这条微指令后微地址加一，指向08H的微地址。 五、模型机当中时序的设计安排 由于模型机已经确定了指令系统，微指令采用全水平不编码纯控制场的格式，微程序的入口地址采用操作码散转方式，微地址采用技术增量方式，所以可确定模型机中的时序单元所产生的每一拍的作用。 本实验中为了更好地观察实验的各个中间过程各寄存器的值，由监控单元产生一个PLS-O的信号来控制时序产生(见下图二)。PLS-O信号经过时序单元的处理产生了4个脉冲信号。4个脉冲信号组成一个微指令周期，为不同的寄存器提供工作脉冲。 图 二 时 序 图 P LS1 微 地 址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首地址及微地址加1。 PLS2 PC计数器的工作脉冲，根据微指令的控制实现PC计数器加1和重置PC计数 器(跳转指令)等功能。 6 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 PLS3 把24位微指令打入3片微指令锁存器。 PLS4 把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器中。 六、设计指令执行流程 根据模型机整机逻辑图和目前硬件条件来设计指令系统中每条指令的执行流程。在每个系统中，一条指令从内存取出到执行完毕，需要若干个机器周期，任何指令中都必须有一个机器周期作为“取指令周期”，称为公操作周期。而一条指令共需几个机器周期取决于指令在机器内实现的复杂程度。 对于微程序控制的计算机，在设计指令执行流程时，要保证每条微指令所含的微操作的必要性和合理性，还要知道总线IAB、IDB、OAB、ODB仅是信息传输的通路，没有寄存信息的功能，而且必须保证总线传输信息时信息的唯一性。 下表表二就本次设计用到的指令分析其执行流程。 指令助记符 指令功能 微周期 微操作 取指微指令 取指 T0: PC->地址总线->RAM RAM->数据总线->IR1 ADD A，Ri (A)+(Ri)->A T0: A->数据总线->DR1 T1: Ri->数据总线->DR2 T2: ALU->数据总线->A、置CY T3: 取指微指令 MOV A，#data Data->A T0: RAM->数据总线->A T1: 取指微指令 MOV Ri，#data Data-> Ri T0: RAM->数据总线-> Ri T1: 取指微指令 STA addr (A)->addr T0: RAM->数据总线->IR2 T1: IR2->地址总线，A->RAM T2: 取指微指令 续表 7 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 指令助记符 指令功能 微周期 微操作 RLC A C、A左移一位 T0: A<<1、置CY T1: 取指微指令 RRC A C、A右移一位 T0: A>>1、置CY T1: 取指微指令 JZ addr A=0，addr->PC T0: 条件成立:RAM->PC T1: 取指微指令 JC addr CY=0，addr->PC T0: 条件成立:RAM->PC T1: 取指微指令 JMP addr Addr->PC T0: RAM->PC T1: 取指微指令 HALT 停机 T0: 停机 表二 指令执行流程 七、给出编制的源程序,写出程序的指令代码及微程序 1、源程序代码 MOV A,#51 RRC A MOV R0,#32 MOV A, #18 RLC A JZ 07 ADD A,R0 JC 0F JMP 12 MOV R1,#42 ADD A,R1 STA 30 HALT 8 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 2、程序的指令代码和微程序 上面源程序段的指令代码和微程序如下表三所示。 指令序列 指令代码 微指令序列 微指令说明 0000 [4D][FF][FF] 取指 5F 51 00 MOV A,#51 0017 [DD][FB][FF] RAM->DBUS->A 0018 [4D][FF][FF] 取指 02 RRC A 9F 0027 [FF][F1][EF] A>>1,置CY 0028 [4D][FF][FF] 取指 03 MOV R0,#32 6C 32 001B [DD][BF][FF] RAM->DBUS->R0 001C [4D][FF][FF] 取指 05 MOV A, #18 5F 18 0017 [DD][FB][FF] RAM->DBUS->A 0018 [4D][FF][FF] 取指 07 RLC A AF 002B [FF][E9][EF] A<<1,置CY 002C [4D][FF][FF] 取指 08 JZ 07 B3 07 002F [D4][FF][FF] RAM->PC 取指 0030 [4D][FF][FF] 0003 [FF][FC][F9] A-> DBUS ->DR1 0A ADD A,R0 0C 0004 [FF][7F][79] R0-> DBUS ->DR2 0005 [FF][FB][A9] ALU-> DBUS ->A、置CY 0006 [4D][FF][FF] 取指 0B JC 0F B7 0F 002F [D4][FF][FF] RAM->PC 0D JMP 12 BF 12 指令被跳过 0030 [4D][FF][FF] 取指 0F MOV R1,#42 6D 42 001B [DD][BF][FF] RAM->DBUS->R1 取指 001C [4D][FF][FF] 0003 [FF][FC][F9] A-> DBUS ->DR1 11 ADD A,R1 0D 0004 [FF][7F][79] R1-> DBUS ->DR2 0005 [FF][FB][A9] ALU-> DBUS ->A、置CY 续表 9 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 指令序列 指令代码 微指令序列 微指令说明 取指 0006 [4D][FF][FF] 12 STA 30 8F 30 0023 [D5][FF][FF] RAM->DBUS->IR2 0024 [BB][FD][FF] IR2->IBUS，A->RAM 0025 [4D][FF][FF] 取指 14 HALT FF 003F [FF][DF][FF] 停机 表三 程序的指令代码和微程序 八、说明在使用软件HKCPT的联机方式的实现过程 1、实验步骤 第一步:启动电脑，将实验平台上的所有数据线链接起来，打开模型机电源，启动实验平台。 第二步:在电脑上启动HKCPT辅助软件(如图三)。如果没有联机成功则会有相应的提示，此时只需要从新启动相应部件即可。 第三步:录入自己设计的源程序代码，完成后编译。有错误就需修改错误的地方直到没有错误为止。然后加载到模型机上去。 第四步:选择微单步执行或者程序单步执行，观察相应的结果。 图三 HKCPT软件截图 2、程序执行过程中各寄存器内容的变化 10 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 在本次试验中用到的寄存器有累加器A、寄存器R0、寄存器R1、PC寄存器、指令 寄存器IR。下表给出了程序运行过程中各时刻的内容变化。 指令序列 累加器A 寄存器R0 寄存器R1 PC寄存器 指令寄存器IR 5FH 00 MOV A,#51 51H 00H 00H 02H 02 RRC A 9FH 28H 00H 00H 03H 03 MOV R0,#32 6CH 28H 32H 00H 05H 05 MOV A, #18 5FH 18H 32H 00H 07H 07 RLC A AFH 31H 32H 00H 08H 08 JZ 07 B3H 31H 32H 00H 0AH 0A ADD A,R0 0CH 63H 32H 00H 0BH 0B JC 0F B7H 63H 32H 00H 0FH 0F MOV R1,#42 6DH 63H 32H 42H 11H 11 ADD A,R1 0DH A5H 32H 42H 12H 12 STA 30 8FH A5H 32H 42H 14H 14 HALT FFH A5H 32H 42H -- 表四 各时刻寄存器内容 3、跳转指令的时序分析 下面对跳转指令JC的执行过程中时序的变化做分析(如下图四) 图四 JC的时序 图中S0、S1、S2、S3作用如下: 11 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 S0 微地址寄存器的工作脉冲，用来设置微程序的首地址及微地址加1。 S1 PC计数器的工作脉冲，根据微指令的控制重置PC计数器(跳转指令)等功能。 S2 把24位JC的微指令打入3片微指令锁存器。 S3 把当前总线上的数据打入微指令选通的寄存器中。 九、课程设计总结 1、设计的特点 本次设计采用的是电脑辅助软件HKCPT来完成的，相比以前的实验，采用电脑辅助软件的好处就是简化了实验步骤。没有必要像以前实验那样在实验模型机上连接很多的线路，只需要把相应的数据线连接好就可以了。另外在执行过程中也简单了很多，如果是在没有电脑辅助软件的情况下来完成此次设计，那么首先要根据机器的汇编指令代码来将设计的代码存储到内存，然后再执行。而如果使用电脑辅助软件HKCPT来完成的话，我们只需要在软件中录入设计的高级语言源程序代码，然后编译源程序，没有错误就加载到实验平台中去。可以在平台中控制程序的执行，也可以在软件中使用快捷键来控制程序的执行。操作过程方便、快捷。 2、设计的收获与体会 在本次设计之前阅读了相关仪器的使用说明，对各种操作有了一定的了解。对于自己设计的源程序还算是比较完善。程序中实现了各种跳转指令以及其他的指令。在实验过程中，开始的时候由于平台的问题，微程序单步无法完成，每次到一个地方的时候就出现了“内存无法访问”的提示，经过多次重启机器后仍然没有效果，换了一台实验仪器后程序执行正常，但是观察模型机上显示的微指令与开始设计的微指令并不相符合，多次检查后得到结论:试验仪上指示微指令的一个二极管坏了，没有正常工作，就导致了显示的结果和开始设计的不一样，做相应修改后得到了预期的结果。从这里我明白，做事情不可能从一开始就顺顺利利的，遇到错误不要紧，要认真分析问题，找到出现错误的根本原因，针对出现错误的原因来寻找解决办法，这样不仅仅加深了对知识的巩固，也在一定程度上锻炼了自己分析问题、解决问题的能力。 经过本次设计，在原来熟悉了软件HKCPT的脱机实现过程后又学习了其联机使用的实现过程，了解到电脑辅助软件在科研事业中的重要地位以及其带来的便利。在完成本次设计后加深了我对课本知识的理解，特别是对微指令那个知识点。在设计之前我虽然 12 / 13 武汉理工大学《计算机组成原理》课程设计说明书 知道微指令为何物，但是不了解其具体的执行过程和具体的设计方法。实验过程中，利用电脑辅助软件来跟踪整个模型机的详细情况，了解微指令执行时各个寄存器的内容和数据的流向，对微指令有了更加清晰的理解。 在设计开始之前就跟同学一起研究平台的使用方法和讨论相关的知识点，促进了对课本知识的巩固，也拓展了相应部分的课外知识。 十、参考文献 <1> 《计算机组成原理》(第二版)华中技大学出版社 薛胜军主编 <2> 《计算机组成原理学习指导与实验》 华中科技大学出版社 薛胜军、谈冉主编 13 / 13