复杂模型机的设计与实现
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计算机组成原理部分
复杂模型机的设计与实现
一、设计目的
综合应用所学计算机组成原理和汇编语言知识，设计并实现较为完整的模型计算机，培养学生独立分析和设计计算机硬件系统的能力。
二、实验设备
1. 硬件环境：
Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干，PC机。
2. 软件环境：
操作系统，Dais-CMB+应用软件。
三、设计要求
3.1、设计任务
1. 熟悉实验环境，即实验中涉及的硬件和软件，掌握这些环境工具的功能和使用方法。
本实验中主要是Dais-CMB+软件及其工作环境。
Dais-CMB+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。
连接方法是：用二芯排线把位于实验装置左上方运算器的左下侧CYCZ接口与位于实验装置红色拨码开关右下方的FCFZ接口相连接。
在联机状态下，首先应打开mXj.abs，然后点击“!”图标进入链接装载，一旦屏幕自动弹出动态调试窗口表示代码及微代码下载已成功，已进入windows在线集成调试环境。
2. 综合应用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。
3. 使用模型计算机指令编制程序完成下列功能之一：
（1）乘法运算。
（2）除法运算。
（3）连加和连减运算。
4. 将程序译成二进制代码，并将二进制代码写入主存。
3.2、拟定数据格式及指令系统
1.数据格式
模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：
其中第7位为符号位，数值表示范围是：-128≤X≤127（定点整数），-1≤X<1（定点小数）。
2.指令格式
模型机设计五大类指令共十六条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访存指令、转移指令和停机指令。
⑴算术逻辑指令
设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，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：
⑵访存指令和转移指令
模型机设计2条访存指令、即存数指令（STA）、取数指令（LDA）；2条转移指令，即无条件转移指令（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为：
其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。
D为形式地址，如为位移量，正负均可，M为寻址模式，其定义如下：
模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。
⑶I/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，addr=01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的LED作为输出设备。
⑷停机指令
HALT指令，用于实现停机操作，指令格式如下：
3.指令系统
模型机有16条基本指令，其中算术逻辑运算指令9条，访问内存指令2条，程序控制指令2条，输入输出指令2条，其它指令2条。
表1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
表1 指令格式
4．微指令格式
微指令字长32位，格式如下所示：
A字段
B字段
说明：DDR1表示LDDR1 DDR2表示LDDR2
5．模型计算机数据通路框图
模型计算机数据通路框图如图1所示：
图1 模型机数据通路框图
6．微程序设计
按照系统建议的微指令格式和模型计算机数据通路框图，分析指令流程，为每条机器指令编制微程序，并和系统自带的微程序比较（在复位后，输入“3”，按“装载”，可将系统微程序装入）。
编制微程序实现新指令的功能。
四、设计内容
4.1、基本内容
1. 试验箱系统图
2. 程序流程图
3. 分析微指令执行序列
首先通过代码在指令流程图中找到对应项，然后再在系统控存内容找出对应的32位指令程序，然后再根据拟定好的数据格式和指令系统对微指令进行分析。
表1 系统控存内容
4. 设计内容
（1）运行几条指令，按照系统的微指令格式和模型计算机数据通路框图分析其流程，写出所分析机器指令的微程序。
（2）增加一条新指令，为其编制微程序。
（3）编制程序，完成连加运算。
5. 设计思路
（1）修改微指令：
修改微指令，首先要弄懂其每一位代表什么意思有什么功能，参照74LS181的功能表，我们所修改的是把AND指令修改为异或指令XOR，只需控制74LS181上的M,S0，SI,S2，S3，将算数运算改为相应的逻辑运算，即M17 40 3D 02 80 修改为M17 40 3E 02 80，只需修改21-17位即可，然后对照及其软件验证其正确性。
（2）连加运算设计：
先输入一个数作为控制连加的次数，然后每次输入一个数作为要加的数，把结果放到内存的某个空间里，实现连加，直到次数达到控制值。
4.2、运行程序
1. 单步运行微程序
键入数字键00（PC地址从00H开始），然后每按动一次“单步”命令键，运行一条微指令。
对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。
2. 单步运行机器程序
键入数字键03H（PC地址），然后每按动一次“宏步”命令键，运行一条机器指令。
对照机器指令程序，观察微地址显示灯是否和流程一致。
3. 程序连续运行与暂停程序
键入数字键00H（PC地址）按动“运行”命令键使模型机进入实时运行状态。
在实时运行状态按“宏单”键执行的暂停命令，使模型机进入停机状态，参照机器指令及微程序流程图，将实验现象与理论分析比较。
4.3、运行结果
上图所示，实现功能为输入循环次数R0的数值03H。
上图所示，实现功能为P01 B0 ;COM R0
上图所示，实现功能为P0270 ;INC R0
上图所示，实现功能P06 36;ADC R1,R2
上图所示，实现功能为输出运算结果R2的值，具体如下图所示：
83H
第一次连加运算之后的结果显示：
86H
第二次连加运算之后的结果显示：
89H
第三次连加运算之后的结果显示：
8CH 程序终止运行。
五、程序代码
1. 修改微指令
P00 84 ;IN R0
P01 85 ;in R1
P02 94 ;YIHUO r0,r1
P0A C0 ;HALT
2. 连加运算
总结与心得
硬件课程设计历时两周时间，综合了计算机组成原理和接口技术相关的学科知识和技能。
在实验设计期间，小组成员能够团队协作，共同攻克难关。
最终课程设计顺利完成，为大三最后的时刻。
画上了一个圆满的句号。
由于是上学期学过，忘掉不少。
这次实验时候，预先一起复习了一下相关的知识点。
在理论有所了解的基础上，再进行实验的实际操作。
借助软件平台和已经连接好电路的试验箱，首先验证了实验所附带的第三个程序代码的显示结果。
在此基础上，进行修改微指令的任务。
但在设计连加运算时候，碰到了阻碍。
对汇编语言的陌生，也是一个不小的阻扰。
分工合作，两人研究汇编语言修改指令代码，一人设计总体程序架构。
后来又请教老师同学，参观或“偷师”别人的经验。
最终能够成功实现连加运算的结果输出。
通过这次课程设计，即是对旧知识的回顾和复习，又是一种对新知识的自主学习和探索。
课程设计的目的并不在于上交一份报告，而是对这种学习能力和解决问题能力的培养。
课程设计也是对理论知识的进一步消化和吸收，因为只有实践才是检验知识的唯一道路。
感谢这次参与课程设计的小组成员们，一个好的团队是成功的保证。
还有帮助我们共同进步的老师和同学们，他们在理论和实际操作的经验使我们少走了曲径，一并致谢。
这是一次很成功的课程设计。
