【正文】 計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 設(shè)計(jì)求負(fù)數(shù)平方和的CISC模型計(jì)算機(jī)院 （系）： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 陳智勇 目 錄1課程設(shè)計(jì)的題目與內(nèi)容 1 題目 1 內(nèi)容 12 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 CISC模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖的設(shè)計(jì) 2 操作控制器的邏輯框圖的設(shè)計(jì) 2 模型機(jī)的指令系統(tǒng)和所有指令的指令格式的設(shè)計(jì) 3 時(shí)序產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 6 機(jī)器指令的微程序流程圖以及微指令的設(shè)計(jì) 7 地址轉(zhuǎn)移邏輯電路的設(shè)計(jì) 9 軟件清單 9 嵌入式CISC模型計(jì)算機(jī)的頂層電路圖 283 匯編語(yǔ)言源程序 294 機(jī)器語(yǔ)言源程序 305 機(jī)器語(yǔ)言源程序的功能仿真波形圖及結(jié)果分析 316 故障現(xiàn)象和故障分析 337心得體會(huì) 34桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第11頁(yè)1 課程設(shè)計(jì)的題目與內(nèi)容 題目設(shè)計(jì)一臺(tái)嵌入式CISC模型計(jì)算機(jī)（采用定長(zhǎng)CPU周期、聯(lián)合控制方式），并運(yùn)行能完成一定功能的機(jī)器語(yǔ)言程序進(jìn)行驗(yàn)證，機(jī)器語(yǔ)言源程序功能如下：連續(xù)輸入5個(gè)有符號(hào)整數(shù)（用8位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，十六進(jìn)制數(shù)輸入），求所有負(fù)數(shù)的平方和并輸出顯示。說(shuō)明：① 5個(gè)有符號(hào)數(shù)從外部輸入；② 一定要使用符號(hào)位（比如說(shuō)SF），并且要使用負(fù)的時(shí)候轉(zhuǎn)移（比如說(shuō)JS）或不為負(fù)的時(shí)候轉(zhuǎn)移（比如說(shuō)JNS）指令；③ 采用三數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器，采用RAM，先將輸入數(shù)據(jù)依次存放在RAM的某一連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)，再依次讀出判斷是否為負(fù)數(shù)，若為負(fù)數(shù)再求其平方和。 內(nèi)容（1） 完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，畫(huà)出模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖；（2） 設(shè)計(jì)微程序控制器（CISC模型計(jì)算機(jī)）的邏輯結(jié)構(gòu)框圖； （3） 設(shè)計(jì)機(jī)器指令格式和指令系統(tǒng)； （4） 設(shè)計(jì)時(shí)序產(chǎn)生器電路； （5） 設(shè)計(jì)所有機(jī)器指令的微程序流程圖； （6） 設(shè)計(jì)操作控制器單元；在CISC模型計(jì)算機(jī)中，設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括微指令格式（建議采用全水平型微指令）、微指令代碼表（根據(jù)微程序流程圖和微指令格式來(lái)設(shè)計(jì)）和微程序控制器硬件電路（包括地址轉(zhuǎn)移邏輯電路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存儲(chǔ)器等。具體電路根據(jù)微程序控制器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖、微指令格式和微指令代碼來(lái)設(shè)計(jì)）。（7） 設(shè)計(jì)模型機(jī)的所有單元電路，并用VHDL語(yǔ)言（也可使用GDF文件圖形描述文件）對(duì)模型機(jī)中的各個(gè)部件進(jìn)行編程，并使之成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，即形成頂層電路或頂層文件； （8） 由給出的題目和設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)編寫(xiě)相應(yīng)的匯編語(yǔ)言源程序；（9） 根據(jù)設(shè)計(jì)的指令格式，將匯編語(yǔ)言源程序手工轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言源程序，并將其設(shè)計(jì)到模型機(jī)中的ROM中去；（10） 使用EDA軟件進(jìn)行功能仿真，要保證其結(jié)果滿足題目的要求；（其中要利用EDA軟件提供的波形編輯器，選擇合適的輸入輸出信號(hào)及中間信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。）（11） 器件編程，并在EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行操作演示。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) CISC模型機(jī)數(shù)據(jù)通路框圖的設(shè)計(jì) 操作控制器的邏輯框圖的設(shè)計(jì) 模型機(jī)的指令系統(tǒng)和所有指令的指令格式的設(shè)計(jì)1) I/O指令輸入指令（IN1）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼 Rd輸出指令（OUT1）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rs2) 轉(zhuǎn)移指令非零條件轉(zhuǎn)移指令（JNZ）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼 地址addr非負(fù)條件轉(zhuǎn)移指令（JNS）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼 地址addr無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令（JMP）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼 地址addr3) MOV指令MOV指令格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼 Rd立即數(shù)im4) 相加指令相加指令（ADD）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼RsRd5) 有符號(hào)乘法指令乘法指令（IMUL）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rd6) 加1指令加1指令（INC）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rd7) 減1指令減1指令（DEC）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rd8) 相與指令相與指令（AND）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rd9) 字符串存儲(chǔ)指令乘法指令（STO）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼Rs地址addr10) 字符串存儲(chǔ)指令乘法指令（STOI）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼RsRd11) 取數(shù)指令取數(shù)指令（LAD）格式：15 14 13 1211 109 87 6 5 4 3 2 1 0操作碼RsRd指令系統(tǒng)表：指令助記符 指令格式 功能 1512 11 10 9 8 70 IN1 Rd 0001 Rd 輸入設(shè)備→Rd MOV Rd,im 0010 Rd im 立即數(shù)→Rd LAD (Rs),Rd 0011 Rs Rd ((Rs))→Rd ADD Rs,Rd0100RsRd(Rs)+(Rd)→RdINC Rd 0101 Rd (Rd)+1→Rd DEC Rd 0110 Rd (Rd)1→Rd JNZ addr 0111 addr 若不等，則addr→PC STO Rs,addr 1000 Rs addr (Rs)→addr JMP addr 1001 addr addr→PC OUT1 Rs 1010 Rs (Rs)→輸出設(shè)備 STOI Rs,(Rd) 1011 Rs Rd (Rs)→(Rd) IMUL Rd,Rd1100Rd(Rd) (Rd)→RdAND Rd,Rd1101Rd(Rd) ∧(Rd)→RdJNS addr1110addr若不為正，則addr→PC 其中，對(duì)源寄存器Rs與目的寄存器Rd的規(guī)定如下：Rs或Rd選定的寄存器00R001R110R211R3模型機(jī)規(guī)定數(shù)據(jù)的表示采用定點(diǎn)整數(shù)補(bǔ)碼表示，單字長(zhǎng)為8位，其格式如下： 76 5 4 3 2 1 0符號(hào)位尾數(shù) 時(shí)序產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)TTTT4與CLR、Q之間的關(guān)系圖如圖 1所示。QCLRT1T2T3T4一個(gè)CPU周期圖 1 機(jī)器指令的微程序流程圖以及微指令的設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)微程序控制器，首先要設(shè)計(jì)微程序流程圖以及微指令，其次再設(shè)計(jì)地址轉(zhuǎn)移邏輯電路以及其它邏輯單元電路，設(shè)計(jì)步驟如下：1. 根據(jù)指令格式和指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)所有機(jī)器指令的微程序流程圖，并確定每條微指令的微地址和后繼微地址；2. 設(shè)計(jì)微指令格式和微指令代碼表；3. 設(shè)計(jì)地址轉(zhuǎn)移邏輯電路；4. 設(shè)計(jì)微程序控制器中的其它邏輯單元電路，包括微地址寄存器、微命令寄存器和控制存儲(chǔ)器。其中，微程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖所示：微指令流程圖設(shè)計(jì)完成后，開(kāi)始設(shè)計(jì)微指令格式和微指令代碼表,按照要求,CISC模型機(jī)系統(tǒng)使用的微指令采用全水平型微指令，字長(zhǎng)為28位，其中微命令字段為19位，P字段為3位，后繼微地址為6位，其格式如下：LOAD LDPC LDAR LDIR LDRi LDPSW RS_B S2 S1 S0 ALU_B SW_B LED_B RD_D CS_D RAM_B CS_I ADDR_B CS_I P1 P2 P3 u5uO按照以上格式，依據(jù)自身設(shè)計(jì)的微指令流程圖，可以得到以下的微指令代碼表：桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第39頁(yè) 地址轉(zhuǎn)移邏輯電路的設(shè)計(jì)地址轉(zhuǎn)移邏輯電路是根據(jù)微程序流程圖中的棱形框部分及多個(gè)分支微地址，利用微地址寄存器的異步置“1”端，實(shí)現(xiàn)微地址的多路轉(zhuǎn)移。由于微地址寄存器中的觸發(fā)器異步置“1”