计算机组成原理课程设计-基本模型机的设计与实现

基本模型机的设计与实现

设计目的

1、 综合运用所学计算机组成原理知识，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本的模型计算机.

2、 通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。

3、 掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写相应的微程序，在所设计的模型计算机上调试运行。

实验设备

Dais-CMX16+ 计算机组成原理教学实验系统一台。

设计分析

实验原理 

        本实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从EM主存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

机器指令格式

表1 指令格式

7     6     5

4

3    2

1    0

OP-CODE

0

Rs

Rd

Addr



        其中OP-CODE为操作码段，位于指令字节高三位（IR7~IR5）；第四位IR4是保留位，指定为零；低四位为源与目的寄存器地址，它们的编码见表2；Addr定义操作数或操作地址。

表2 寄存器地址编码

Rs或Rd

选定的寄存器

00

01

10

11

R0

R1

R2

R3

微指令格式

按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件,如表3所示。

表3 微指令格式

M23

M22

M21

M20

M19

M18

M17

M16

M15

M14

M13

M12

M11

M10

M9

M8

M7

M6

M5

M4

M3

M2

M1

M0

E/M

IP

MWR

R/M

目的编码

OP

M

CN

S2

S1

S0

源编码

XP

W

ALU

Iu

IE

IR

Icz

Ids




表4 源编码与目的编码指令格式

源编码

 

目的编码

M10

M9

M8

功能

M19

M18

M17

功能

X2

X1

X0

O2

O1

O0

1

1

1

禁止

1

1

1

禁止

1

1

0

ALU

1

1

0

MAR

1

0

1

SP

1

0

1

BX

1

0

0

IOR

1

0

0

AX

0

1

1

MRD

0

1

1

SP

0

1

0

XRD

0

1

0

IOW

0

0

1

RRD

0

0

1

XWR

0

0

0

PC

0

0

0

RWR


指令程序设计

指令系统


        本实验设计了八条机器指令：IN（输入）、ADD(二进制加法)、SUB（二进制减法）、STA（存数）、OUT（输出）、MOV（传送）、RR（循环右移）、JMP（无条件转移）。


表5 指令系统

助记符

机器指令码

说明

IN RO,IOL

00100000

I/O（数据开关）偶字节→R0

ADD R0,[addr]

00000000 XXXXXXXX XXXXXXXX

R0+[addr] →R0

SUB R0,[addr]

00000000 XXXXXXXX XXXXXXXX

R0-[addr] →R0

STA [addr],R0

01100000 XXXXXXXX XXXXXXXX

R0→[addr]1

OUT IOH,[addr]

10001000 XXXXXXXX XXXXXXXX

RAM→I/O（奇字节）

MOV SP,[addr]

11100000 XXXXXXXX XXXXXXXX

[addr] →SP

RR R0

11000000

R0循环右移一位

JMP *

10100000 XXXXXXXX XXXXXXXX

addr→PC


        其中IN为单字节（8位）指令，其余为三字节指令，XXXXXXXXXXXXXXXX为addr对应的二进制地址码，XXXXXXXX为立即数。

 



指令流程图



源程序

#LOAD "DEMO.IS"         ;预调入指令系统/微程序
#SET RAM 0260h = 1100h  ;数据区0260H单元预置数据1100h
#SET RAM 0120h = 2200h
data    segment         ;将程序装载到数据存储器
        assume ds:data

        org   0
start:  in    r0, iol;将IO低位送至R0寄存器
        add   r0, 0260h;将R0的内容与内存0260单元的内容相加，送回R0
        sub   r0, 0120h;将R0的内容与内存0260单元的内容相减，送回R0
        sta   0261h, r0;将0261单元的内容载入到RAM中
        out   ioh, 0261h;将内存0261单元的内容输出到IO高位
        mov   sp,0260h;将内存0260单元的内容传送到SP寄存器
        rr    r0;将R0寄存器的内容循环右移一位
        jmp   0000;将PC的内容置零，返回第一条机器指令

data    ends
        end   start


微程序控制实现过程

所用的机器指令程序

表6 机器指令程序

地址

指令代码

助记符

功能

000

00 60 02

SUB R0,[ADDR]

R0-RAM→R0

003

20

IN R0,IOL

I/O（数据开关）偶字节

004

40 60 02

ADD R0,[ADDR]

R0+RAM→R0

007

60 61 02

STA [ADDR],R0

R0→RAM

00A

80 61 02

OUT [ADDR],IOH

RAM→I/O（奇字节）

00D

A0 02 02

RR R0

R0右移→R0

010

C0 00 00

JMP 0000H

RAM→PC

013

E0 02

MOV R0,SP

R0→SP



基本模型机微指令表

        由于表格数据太多无法并列列举所以基本模型机微指令表将由表7-1、表7-2、表7-3三个表进行表示。

表7-1 M23-M16指令集

微地址

M23

M22

M21

M20

M19

M18

M17

M16

代码

E/M

IP

MWR

R/M

o2

o1

o0

OP

000

1

1

1

1

1

1

1

1

FF

001

1

1

1

1

1

1

0

0

FC

002

0

1

1

1

1

1

1

1

7F

600

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

601

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

602

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

603

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

604

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

605

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

606

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

607

1

1

1

1

0

0

0

1

F1

640

1

0

1

1

0

0

0

1

B1

680

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

681

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

682

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

683

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

684

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

685

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

686

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

687

1

1

1

1

0

0

0

1

F1

6C0

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

6C1

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

6C2

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

6C3

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

6C4

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

6C5

0

1

0

1

1

1

1

1

5F

700

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

701

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

702

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

703

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

704

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

705

0

1

1

1

0

1

0

1

75

740

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

741

1

0

1

1

0

0

0

1

B1

780

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

781

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

782

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

783

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

784

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

7C0

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

7C1

0

1

1

1

1

0

1

0

7A

7C2

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

7C3

0

1

1

1

0

1

1

0

7B

7C4

1

0

1

1

1

1

0

0

BC

7C5

0

1

1

1

0

0

0

0

70

7C6

1

1

1

1

0

1

1

0

F6


表7-2 M15-M8指令集

微地址

M15

M14

M13

M12

M11

M10

M9

M8

代码

M

CN

S2

S1

S0

X2

X1

X0

000

1

1

1

1

1

1

1

1

FF

001

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

002

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

600

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

601

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

602

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

603

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

604

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

605

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

606

1

1

1

1

1

0

0

1

F9

607

0

1

1

0

1

1

1

0

6E

640

1

1

1

1

1

1

0

0

FC

680

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

681

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

682

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

683

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

684

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

685

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

686

1

1

1

1

1

0

0

1

F9

687

0

1

1

0

0

1

1

0

66

6C0

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

6C1

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

6C2

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

6C3

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

6C4

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

6C5

1

1

1

1

1

0

0

1

F9

700

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

701

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

702

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

703

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

704

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

705

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

740

1

1

1

1

1

0

0

1

F9

741

0

1

1

1

1

1

1

0

7E

780

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

781

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

782

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

783

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

784

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

7C0

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

7C1

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

7C2

1

1

1

1

1

0

0

0

F8

7C3

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

7C4

1

1

0

0

0

1

1

0

C6

7C5

1

1

1

1

1

0

1

1

FB

7C6

1

1

1

1

1

0

0

1

F9


表7-3 M7-M0指令集

微地址

M7

M6

M5

M4

M3

M2

M1

M0

代码

XP

W

ALU

Iu

IE

IR

Icz

Ids

000

1

1

1

1

1

1

1

1

FF

001

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

002

1

1

1

1

1

0

1

0

FA

600

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

601

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

602

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

603

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

604

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

605

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

606

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

607

0

1

0

0

1

1

0

1

4D

640

0

1

1

0

1

1

0

1

6D

680

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

681

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

682

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

683

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

684

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

685

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

686

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

687

0

1

0

0

1

1

0

1

4D

6C0

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

6C1

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

6C2

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

6C3

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

6C4

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

6C5

1

1

1

0

1

1

0

1

ED

700

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

701

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

702

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

703

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

704

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

705

1

1

1

0

1

1

0

1

ED

740

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

741

0

1

0

0

1

1

0

1

4D

780

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

781

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

782

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

783

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

784

0

0

0

0

1

1

0

1

0D

7C0

0

0

1

1

1

1

1

1

3F

7C1

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

7C2

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

7C3

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

7C4

0

0

0

1

1

1

1

1

1F

7C5

1

1

0

1

1

1

1

1

DF

7C6

0

1

1

0

1

1

0

1

6D


调试过程

        该基本模型机运行如下图2-0至图2-1所示。

 

图2-1初始化

 

 

 

 

 

IN RO,IOL


图2-2IN指令

 

ADD R0,[addr]


图2-3ADD指令

 

SUB R0,[addr]


图2-4SUB指令

 

 

 

 

 

STA [addr],R0


图2-5STA指令

 

OUT IOH,[addr]


图2-6OUT指令

 

MOV SP,[addr]


图2-7MOV指令

 

 

 

 

RR R0

图2-8RR指令

 

JMP*


图2-9JMP指令

 



结果分析

        该基本模型机运行的结果如表8所示。

表8 运行结果

助记符

结果

IN RO,IOL

R0=13

ADD R0,0260h

R0=24

SUB R0,0260h

R0=02

STA 0261h,R0

RAM=1102

OUT IOH,0261h

IOH=02

MOV SP,0260h

SP=11

RR R0

R0=88

JMP 0000

μpc=0001


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