计组课设实验报告
《计算机组成原理与系统结构》课程设计
实验报告
课题：两个16位二进制数加法计算班级：
成员：
完成日期：2021年10月11日
一：课程设计步骤 1.确定设计目标
综合考虑实验条件及自身能力水平，以及设计功能的可靠性和实用性，我们小组决定将设计目标定为“两个16位二进制数相加”。分两次分别输入两个加数的低八位和高八位，输出两个16位二进制数相加的结果。
2.确定指令系统
（1）数据格式
模型机规定数据采用定点整数补码表示，字长为8位，其格式如下：
7 6 5 4 3 2 1 0 符号尾
数（2）指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。
①算术逻辑指令
设计九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：
7 6 5 4 OP-CODE RSRD 或00 01 10 ②I/O指令
3 2 1 0 RS RD 其中，OP-CODE为操作码，RS为
源寄存器，RD为目的寄存器，并规定：
选定的寄存器 R0 R1 R2 输入（1N）和输入（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：
7 6 5 4 3 2 1 0 OP-CODE addr RD 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“INPUT DEVICE”中的数码块作为输入设备。
③访问指令及转移指令
模型机设计两条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），
两条颛臾指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移（BZC），指令格式如下：
7 6 00 5 4 M 3 2 OP-CODE 1 0 RD D 其中，OP-CODE为操作码，rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量
（正负均可），M为寻址模式，其定义如下：寻址模式 00 有效地址E E=D 说明直接寻址 01 10 11 E=(D)
E=(RI)+D E=(PC)+D 间接寻址 RI变址寻址相对寻址本模式机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2
④停机指令
停机指令格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 OP-CODE 00 00 HALT指令，用于实现停机操作。
（3）指令系统
在这次模型机设计中，为了实现两个16位二进制数相加的功能，我们一共使用了XOR（新设计指令），
ADC,INC,LDA,STA,JMP,BZC,IN,OUT,HALT共10个机器指令，其助记符、功能和具体指令格式如下：助记符号指令格式功能 XOR RS,RD 0 RS RD RS⊕RD ADC RS,RD 1001 RS RD RS+RD+CY->RD INC RD 1 RS RD+1->RD 00 M 00 RD LDA M,D,RD E->RS D 00 M 01 RD STA M,D,RD RD->E D 00 M 10 00 JMP M,D E->PC D 00 M 11 00 当CY=1或BZC M,D Z=1；E->PC D IN ADDR,RD 0100 01 RD ADDR->RD OUT ADDR,RD 0 10 RD RD->ADDR HALT 0110 00 00 停
机 3.总体结构和数据通路：
总体结构和数据通路图请参见附录1。 4.微程序流程图：
微程序流程图请参见附录2。 5.机器码及微程序：
机器码及微程序请参见附录3。
二．课程设计总结
这门课程是一门对综合能力和基础知识要求非常高的课程。
成功完成实验内容，需要熟悉《汇编语言》，《计算机组成原理》，《离散数学》和《数字逻辑》各
门课程的基础知识，并且要加以拓展和熟练运用，这对我们
整个小组来说是一个不小的挑战。
实验刚刚开始的阶段，我们参考了高年级同学的实验报告和
设计过程，起初觉得束手无策，很多内容都不知道其中的含义和
思考及设计的过程。不过从第一节课开始，陈老师指导我们一步步地完成整个设计过程，每节课对应设计中的一个步骤，化整为零，个个击破，实验进行的过程中，随着进度的加深，我们的信心也越来越饱满，渐渐看到了整体的思路和方向。出现问题时，我们首先进行小组讨论，小组讨论无法解决的问题，我们选择向更有经验和基础知识更加牢固的同学请教，再无法解决时，便向老师求助，陈老师在整个实验过程中提供了非常大的帮助。
整个实验过程中，除了对设计步骤和各种图表工具的陌生带来的困难以外，最大的困难来自于实验硬件条件给出的限制。对于只有三个寄存器的实验电路箱来说，分别进行高八位，低八位的输入，相加和输出就已经是个挑战，而更大的挑战在于，怎样储存和取出进位数字。我们知道，如果产生了进位，那么进位的数字将存储在CF专用寄存器中，但是CF寄存器内保存的数据十分的“脆弱”，稍有不慎，除了加法计算之外，其他的很多操作，只要是经过ALU加法器原件的操作，都有可能改变其中存储的数据。一度让我们觉得无从下手，甚至怀疑自己一开始设计的目标功能就是错误的，根本无法实现的。但是后来，我们想到了利用主存来存储进位的想法，翻看教材和上网查阅各种资料之后，我们失望得发现，CF寄存器是一个特殊的专用寄存器，无法向其他寄存器一样将数据随意存取，只会在进行带进位加（ADC）时，才会被带入到存储计算结果的寄存器中。这给了我们一个启发，我们想到了先将一个寄存器清零（使用我们新设计的XOR指
令），然后用这个寄存器自身和自身带进位加的方式将进位数字取出，然后将该寄存器的数据传入到主存中，通过这一特殊的方式，就实现了“将CF寄存器中的数据放入主存”这一原来看似不可能完成的任务。
解决这个问题的过程中，我们充分体会到了团队协作和创新思维的重要性，明白了一个看似困难重重几乎不可能完成的任务，只要勤于思考善于动手，也能通过自己的努力去实现。我们觉得这一体会是本次试验过程中，除了知识之外最大的收获。
三．小组成员各自的任务和完成情况
张三：小组核心成员和组长，拥有扎实的计算机组成原理和汇编语言基础，负责确定设计目标，核心程序的编写以及微程序、机器指令的转化，完成实验的理论基础框架。出色地完成了程序设计的任务，为最终的上机实践提供了保障。
李四：协调整个团队的合作，在遇到困难时查阅书籍和网上资料，对新的理论知识和操作技术进行吸收和消化，整理记录实验中各项设计笔记，完成实验报告的整合和撰写。
王五：心思细致缜密，动手能力强，实践经验丰富，负责实验箱的检验，调试和接线部分。
四．实验中的不足
最后一节课进行最终的上机实践检验时，我们遇到了意料之外的问题和困难。在前一节课中，我们利用已有的程序对试验箱进行了检验和调试，最终确定试验箱可以正常工作。但是在最后
