計算機組成原理課程設計---設計指令系統

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題目: 設計指令系統 </p><p>　　2013年1 月10日 </p><p>　　安徽理工大學課程設計（論文）任務書</p><p>　　2012年 12月17日</p><

2、;p>　學 號學生姓名專業（班級）計算機10-3班</p><p>　設計題目設計指令系統</p><p>　設計技術參數1.本系統采用DJ-CPTH超強型計算機組成原理教學實驗系統搭建電路圖，在實驗箱上實現指令系統。2.利用軟件工程中的可行性研究以及分析方法，進行系統分析。</p><p>　設計要求1在基本模型機的基礎上設計取數、存數、輸入、輸出、與、或、

3、非、加法、減法、移位指令等,用這些指令的助記符不得與指導書上相同。2.指令包括立即數尋址、寄存器直接尋址、存儲器直接尋址三種尋址方式。3．利用新構建的指令系統編程，分別實現求補、同或、異或、乘法、除法、兩存儲單元數據交換等功能。</p><p>　工作量1.課程設計說明書2000字；2.畫出流程圖,編寫微指令代碼和程序。</p><p>　工作計劃1.首先認真研究老師所給的題目，了解題目要

4、求做什么。2.查閱資料，解決難題。3.編寫源程序并調試之。4.寫課程設計說明書</p><p>　參考資料[1] 蔣本珊．計算機組成原理(第2版)．北京：清華大學出版社，2011[2] 白中英．計算機組成原理(第二版)．北京：科學出版社，2008[3] DJ-CPTH超強型計算機組成原理與系統結構實驗指導書[4] 沈美明.匯編語言程序設計 北京：清華大學出版社</p><p&g

5、t;　指導教師簽字教研室主任簽字</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　本次計算機組成原理課程設計課題是基本模型機的設計與實現。利用CPU與簡單模型機來實現計算機組成原理課程設計，編寫指令的應用程序，用微程序控制器實現一系列的指令功能，最終達到將理論與實踐相聯系。本次設計完成了相關指令的格式以及編碼的設計，實現了機器指令微代碼，完成具有一定功

6、能的程序。</p><p>　　在基本模型機的基礎上構建一組能實現輸入、輸出、加、減、邏輯與、邏輯或、邏輯非、轉移指令等8個功能的指令,這些指令的助記符不得與指導書上相同。指令包括立即數尋址、寄存器直接尋址、存儲器直接尋址三種尋址方式。利用新構建的指令系統編程，實現交換兩存儲單元數據的功能。</p><p>　　關鍵字：指令系統，尋址方式，算術邏輯</p><p>

7、<b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　1系統分析4</b></p><p>　　1.1 設計背景4</p><p>　　

8、1.2 設計目標6</p><p><b>　　2系統設計7</b></p><p>　　2.1 模型機的指令系統設計7</p><p>　　2.2 模型機的微指令設計8</p><p>　　2.3實現除法功能的程序設計11</p><p><b>　　3系統實現13<

9、/b></p><p><b>　　4總結16</b></p><p><b>　　5參考文獻17</b></p><p><b>　　1系統分析</b></p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p><p&g

10、t;　　一臺計算機所能執行的各種指令集合稱為指令系統或指令集。一臺特定的計算機只能執行自己指令系統中的指令。因此，指令系統就是計算機的機器語言。指令系統表征著計算機的基本功能和使用屬性，它是計算機系統設計中的核心問題。指令系統的設計主要括指令功能、操作類型的設計，尋址方式和指令格式的設計。 </p><p>　　計算機的性能與它所設置的指令系統有很大的關系，指令系統反映了計算機的主要屬性，而指令系統的設置又與機器

11、的硬件結構密切相關。指令是計算機執行某種操作的命令，而指令系統是一臺計算機中所有機器指令的集合。通常性能較好的計算機都設置有功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統，而指令功能的實現需要復雜的硬件結構來支持。 </p><p>　　本課程設計的模型機的指令碼為8位，根據指令類型的不同，可以有0到2個操作數，指令碼的最低兩位用來選擇R0-R3寄存器。在微程序控制方式下，用指令碼作為微地址來尋址微程序存儲器，找到執行該

12、指令的微程序。在本模型機中，一條指令最多分為四個狀態周期，一個狀態周期為一個時鐘脈沖，每個狀態周期產生不同的控制邏輯，實現模型機的各種功能。模型機有24位控制位以控制寄存器的輸入輸出，選擇運算器的運算功能，存儲器的讀寫。</p><p>　　簡言之，這次設計，計算機數據通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內存中取出一條機器指令到指令執行結束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一條

13、微程序，一條微程序又有若干微指令組成，一條微指令的功能由24位操作信號（即控制位）實現。</p><p>　　本設計是在DJ-CPT816計算機組成原理實驗儀和仿真軟件上進行的</p><p>　　24位控制位分別介紹如下：</p><p>　　XRD：外部設備讀信號，當給出個外設的地址后，輸出此信號，從指定外設讀數據。</p><p>　　

14、EMWR：程序存儲器EM寫信號</p><p>　　EMRD：程序存儲器EM讀信號</p><p>　　PCOE：將程序計數器PC的值送到地址總線ABUS上</p><p>　　EMEN：將程序存儲器EM與數據總線DBUS接通，有EMWR和EMRD決定是將DBUS數據寫入EM中，還是從EM讀出數據到DBUS</p><p>　　IREN：將程

15、序存儲器EM獨處的數據打入指令寄存器IR和微指令計數器uPC</p><p>　　EINT：中斷返回時清除中斷響應和中斷請求標志，便于下次中斷。</p><p>　　ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR2.，IR3位結合，控制程序跳轉。</p><p>　　MAREN：將數據總線DBUS上數據打入地址寄存器MAR</p><p>　　MA

16、ROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上</p><p>　　OUTEN：將數據總線DBUS上數據送到輸出端口寄存器OUT里</p><p>　　STEN：將數據總線DBUS上數據存到堆棧寄存器里</p><p>　　RRD：讀寄存器組R0-R3，寄存器R？的選擇由指令的最低兩位決定</p><p>　　RWR：寫寄存器組R0-R

17、3，寄存器R？的選擇由指令的最低兩位決定</p><p>　　CN：決定運算器是否帶進位移位，CN=1帶進位，CN=0不帶進位</p><p>　　FEN：將標志位存入ALU內部的標志寄存器</p><p>　　X2，X1，X0三位組合來譯碼選擇將數據送到DBUS上的哪個寄存器，見表1</p><p>　　WEN：將數據總線DBUS的值打入工

18、作寄存器W中</p><p>　　AEN：將數據總線DBUS的值打入累加器A中</p><p>　　S2,S1,S0三位組合決定ALU做何種運算，見表2</p><p>　　表1 選擇具體的寄存器</p><p><b>　　表2 ALU運算</b></p><p><b>　　1.2

19、設計目標</b></p><p>　　本課程設計要求實現機器指令：MOV（傳送）、OUTE（輸出）、 AND（邏輯與）、ORE（邏輯或）、ADDE（不帶進位算術加）、ADDCE（帶進位算術加）、SUBE（不帶進位算術減）、JCE、JZE、JMPE（轉移指令）。</p><p>　　并且要包括立即數尋址，寄存器直接尋址，存儲器直接尋址三種尋址方式。最后要在設計的指令系統基礎上，編

20、寫程序實現除法功能。</p><p><b>　　2系統設計</b></p><p>　　2.1 模型機的指令系統設計</p><p>　　根據設計要求，設計出的指令要包括傳送、邏輯與、邏輯或、算術加、減運算、輸入、輸出、轉移這八種指令，且要運用立即數尋址、寄存器直接尋址、存儲器直接尋址三種尋址方式。由此設計出新的指令系統，如下截圖</p

21、><p>　　圖2.1新的指令系統</p><p>　　2.2 模型機的微指令設計</p><p>　　(1)微指令的24位控制位如下：</p><p>　　設計出的微指令集如下表：</p><p>　　2.3實現除法功能的程序設計</p><p><b>　　程序設計思路：</b&

22、gt;</p><p>　　先將兩個立即數存入寄存器r0（被除數）和r1（除數），然后判斷除數是否為零，是則輸出結果為0，結束程序，否則繼續第二步，將除數右移一位，再檢查除數是否為零，是則輸出結果r0中的數結束，否則進入第三步，將除數右移然后將被除數右移，檢查被除數是否為零，是則輸出0結束，否則調到第三步繼續運行。</p><p><b>　　源程序截圖如下：</b>

23、</p><p><b>　　3系統實現</b></p><p>　　1.按照系統分析中得到的指令集，在DJ-CPT816實驗軟件中新建指令系統，生成.mac文件和.mic文件。</p><p>　　2.在DJ-CPT816實驗軟件中新建.asm文件,輸入程序：</p><p>　　MOV A,#00H

24、 </p><p>　　MOV R0,#11H </p><p>　　MOV R1,#07H </p><p>　　AND R1,#01H </p><p>　　JZ S1 </p><p>　　ADD A,#01

25、 </p><p><b>　　S1:</b></p><p>　　AND R1,0FH </p><p>　　JZ S2 </p><p>　　RR R1 </p><p>　　AND R1,0FH </

26、p><p>　　JZ S3 </p><p><b>　　S5:</b></p><p>　　RR R1 </p><p>　　RR R0 </p><p>　　AND R0,0FH </p>

27、<p>　　JZ S2 </p><p>　　AND R1,0FH </p><p>　　JZ S4 </p><p>　　JMP S5 </p><p><b>　　S2:</b></p>

28、<p>　　MOV A,#00H </p><p>　　JMP E </p><p><b>　　S3:</b></p><p>　　MOV A,R0 </p><p>　　JMP E </p><p>&l

29、t;b>　　S4:</b></p><p>　　AND A,0FH </p><p>　　JZ S6 </p><p>　　MOV A,R0 </p><p>　　SUB A,#01 </p><p>　　JMP E

30、 </p><p><b>　　S6:</b></p><p>　　MOV A,R0 </p><p><b>　　E:</b></p><p>　　OUT A </p><p><b>　　END <

31、/b></p><p>　　將程序另存為.asm文件，再匯編成機器碼，調試窗口會顯示出程序、機器碼、反匯編指令,如圖3.1</p><p>　　圖3.1程序、機器碼、反匯編指令</p><p><b>　　4.實驗結果：</b></p><p>　　使用DJ-CPTH運行此程序后得出了正確的結果，故實現了設計要求。

32、</p><p><b>　　4總結</b></p><p>　　通過本次課程設計，我鞏固了所學的《計算機組成原理》中有關指令系統、總線系統等方面的知識，進一步加深了對計算機組成原理實驗儀的使用方法的了解，能夠更加熟練的使用計算機組成原理實驗儀，同時還讓我復習并運用了算法設計與分析和匯編語言的內容，此次課程設計進一步鞏固和提高了自己的基礎知識。</p>

33、<p>　　通過這次課程設計，既鍛煉了我的動手能力，又鍛煉了我的動腦能力，使我理論聯系實際，使所學的知識不再枯燥無味，將所學的知識運用到實際，讓我掌握這些知識更牢固。在查找資料的同時也鍛煉了自己的自學能力，還提高了獲取有用信息的能力。 同時課程設計過程中與組內成員的積極合作培養了自己的團隊意識，讓自己再一次認識到了團隊合作的重要性。</p><p>　　此次做課程設計也為自己積累了必要的經驗，做課程設計

34、或者以后做項目一定在最開始有個大體的設計思路，按照設計思路一步步的做，沒有設計思路盲目做的話，會導致設計混亂，浪費大量時間。而且在做課程設計的過程中需要查閱大量資料，積極與組員合作，選擇方法時要嚴謹，如果遇到錯誤要盡快尋求到解決的辦法，以防止影響以后的設計。 </p><p>　　本次課程設計對我來說是一次很好的實踐機會，鍛煉了自己的動手能力，讓我能夠過活學活用知識，在實踐中加深對所學課程的理解，讓我充分認識到了

35、理論與實踐的重要性。在以后的學習與生活中，要不斷的把課本所學的知識與生活實際相結合，讓自己知道自己所學知識的用處以及發現有待加強和學習的地方?？傊?，此次課程設計，自己獲益匪淺。</p><p><b>　　5參考文獻</b></p><p>　　1. 白中英.《計算機組成原理（第二版）》.北京：科學出版社，1998</p><p>　　2. 平