计算机组成与系统结构课设实验报告

一. 课设性质
目的，任务《计算机组成与系统结构课程设计》是计算机学院各专业集中实践性环节之一，是学习完《计算机组成与系统结构》课程后进行的一次全面的综合练习。其目的是综合运用所学计算机原理知识，设计并实现一台模型计算机，以便巩固所学的知识，提高分析问题和解决问题的能力。
二. 课设基本理论
1、掌握算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。
2、掌握存储器组织、读写方式及与总路线组成的数据通路，掌握地址总线、数据总线的工作原理。
3、掌握指令结构和指令取指、执行工作过程。
4、掌握CPU的微程序控制原理。
三. 题目综合运用所学计算机原理知识，设计并实现具有以下16条指令的指令集结构的模型计算机：

设计提示：
1、上表中，机器指令码的高4位为指令操作码，M为16位存储器地址， Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，占2位，并规定：

2、在微程序中，微地址001为取指，微指令为BF FB F8。3、各指令指行阶段微程序入口地址的确定方式：

例如，第5条指令”RL Rd” 的指令码为0101 Rd00 则指令码的高4位IR7~IR4为0101，由上表知，微程序入口微地址为： 11 0101 00000 ，即6A0H。
4、主要步骤：
（1）按照第3点的方法，给出所有16条指令的微程序入口微地址；
（2）通过分析每条指令的功能明确其的微程序流程，可参考实验指导书图3-4-1、图3-2-2、图3-3-1；
（3）写出每条微指令的微命令，即24个微控制位信号，可参考实验指导书表3.4.1、表3.2.1、表3.3.1和“微控制器编程手册”第2章。
（4）建议采用逐条指令设计实现的方式，一条实现并用汇编语句测试通过后（指令功能、下址顺序均正确）再进行下一条的设计。
5、检查模型计算机设计完成后，用所给的测试程序check_1.asm（测12条非转移指令）和check_2.asm（测3条转移指令）检查正确性。检查方法：在测试程序中#load s本人的.IS微指令程序，实验箱电源关闭重启并连接，装载后选择“运行”或“单步”执行。check_1.asm运行的正确结果为：寄存器R0R1R2R3分别显示00112233，IOH显示33。check_2.asm运行的正确结果为：寄存器R0R1R2R3分别显示00112233，如果显示EE则执行有错误。
四．微程序流程图（树形图）

五．机器指令程序的说明（微指令地址，指令码，助记符）指令系统：
sub r0,r0 00 1 Rd-Rs→Rd
sub r0,r1 01 1
sub r0,r2 02 1
sub r0,r3 03 1
sub r1,r1 05 1
sub r1,r2 06 1
add r0,r0 10 1 Rd+Rs→Rd
add r0,r1 11 1
add r1,r2 16 1
add r3,r1 1D 1
add r1,r0 14 1
and r0,r0 20 1 Rd&Rs→Rd （Rd和Rs相与）
and r0,r1 21 1
and r0,r2 22 1
and r0,r3 23 1
and r1,r1 25 1
and r2,r0 28 1
and r3,r1 2D 1
dec r0 30 1 将Rd值减1
dec r1 31 1
dec r2 32 1
dec r3 33 1
clr r0 40 1 将Rd清零
clr r1 41 1
clr r2 42 1
clr r3 43 1
rl r0 50 1
Rd循环左移一位rl
r1 54 1
rl r2 58 1
rl r3 5C 1
rr r0 60 1 RR循环右移一位
rr r1 64 1
rr r2 68 1
rr r3 6C 1
mov r0,r0 70 1 Rs→Rd
mov r0,r1 71 1
mov r0,r2 72 1
mov r0,r3 73 1
mov r1,r1 75 1
mov r1,r2 76 1
mov r1,r3 77 1
mov r2,r2 7A 1
mov r2,r3 7B 1
mov r3,r3 7F 1
mov r3,r2 7E 1
ldi r0,* 80 2 将指令中的立即数（第二字节）送入Rd
ldi r1,* 84 2
ldi r2,* 88 2
ldi r3,* 8C 2
out IOH,r0 90 1 Rs→i/o(数据开关)高字节out IOH,r1 91 1out IOH,r2 92 1
out IOH,r3 93 1
lda r0,* A0 3 [M] →Rdlda
r1,* A4 3lda r2,* A8 3
lda r3,* AC 3
sta *,r0 B0 3 Rs→[M]
sta *,r1 B1 3
sta *,r2 B2 3
sta *,r3 B3 3
jmp * C0 3 [M]→PC,即跳转到M所指单元
jz * D0 3 当Z=1时，跳转到M所指单元
jc * E0 3 当CY=1时，跳转到M所指单元
halt “” F0 1 停机
下表是微程序，务必注意：由于软件原因，我在这里的是1打勾，0不打勾，你们做的时候若不正确，需要将0打勾而1不打勾，同时0，1实在太多，可能建表时会按错0，1，因此，在出现错误时稍微自己检查一下

六.结果

七．存在的问题和体会
通过这些和实验，我们理解了控制器的功能和组成，理解了各类典型指令的执行流程，对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类有了系统的概念，还让我们学会了指令的设计以及相关技术。在这一部分，实验主要以教学机为基础来进行，通过让我们自己学习研究指令代码并进行设计来让我们对课本进行实践，让我们，看懂、理解、会写、会设计指令代码。计算机就是由运算器、存储器、控制器以及I/O组成的，接口部分有专门的课程，所以我们的计算机组成原理实验就从前三方面对我们的理论知识进行实践教学，主体重点清楚明了，实验难易结合，有单步验证也有综合设计，对我们的动手和设计能力有极大的提高。

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