课程设计报告

课程名称： 计算机组成原理
设计题目： 复杂模型机

目 录

1、课程设计任务书 3
1.1设计任务 3
1.2性能指标和设计要求 3
2、本设计的模型机体系结构及功能 4
2.1 模型机的体系结构 5
2.2 模型机所具有的基本功能 5
3、 模型机硬件设计 5
3.1 模型机总体结构设计 5
3.2 模型机的硬件设计 6
3.3 模型机数据通路的设计
4、模型机机器指令系统设计 7
4.1 指令设计 8
4.2 指令格式 9
4.3 指令系统
5、模型机控制器微程序设计 10
5.1 机器指令周期分析 10
5.2 模型机硬件译码电路 11
5.3 微程序流程图设计 12
5.4 微指令格式设计 12
5.5 微指令编码设计 14
5.6 微指令地址及控存存储设计 14
6、模型机功能测试 15
6.1机器指令功能调试 15
6.2整机功能测试 16
7、结论 17
致 谢 18
附 录 18
附录1 18
附录2 20
参考文献 22

1、课程设计任务书

1.1设计任务

• 基本模型机的设计与实现
• 在基本模型机的的基础上设计一台复杂模型机

1.2 性能指标和设计要求
        利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，设计基于微程序控制器的模型计算机，包括设计相应的硬件平台、机器指令系统和微指令等。设计环境为TD-CMA计算机组成原理教学实验箱、微机，联机软件等。同时设计好基于模型机的测试验证程序,并在设计好的硬件平台上调试通过,以验证所设计的模型机功能的可行性与可靠性。在设计完成的前提下，撰写出符合要求的课程设计说明书并通过设计答辩。

1.基本模型机设计与实现
        设计一台简单模型机,在具备基本必要的硬件平台的基础上,进一步要求其机器指令系统至少要包括五条不同类型指令:如一条输入指令(假设助记符为IN)，一条加法指令(假设助记符为ADD)，一条输出指令(假设助记符为OUT)、一条无条件转移指令(假设助记符为JMP)和一条停机指令(假设助记符为HLT) ; 在设计好的模型机基础上，设计一个进行两个数求和运算的测试验证程序，用以验证模型机功能的可行性与可靠性。

2.在任务1的基础上,增加机器指令系统的功能，设计具有不少于10条机器.指令的复杂指令系统模型机，包含算术逻辑指令、访问内存指令、控制转移指令、输入输出指令、停机指等令。数据的寻址方式采用寄存器直接寻址。利用设计的复杂模型机实现两个数的减法运算并判断差得正负,差为正数则输出A,差为负数则输出B,差为零则输出C。在设计好的模型机基础上，进一步设计-个测试验证程序,验证模型机功能的可行性与可靠性。

3、基本模型机和复杂模型机的CPU数据字长为8位,采用定点补码表示。指令字长为8的整数倍。微指令字长为24位。

2、本设计模型机体系结构及功能

2.1 模型机的体系结构
        依据计算机系统的层次结构,本次设计的模型机可简化为图1所示的四层结构。我们需要对每一个层次进行设计和实现。

         对于最上层的应用程序,本次设计需要设计一个应用程序的测试实例来验证下面三层构成的模型机的功能可行性与可靠性。

2.2模型机所具有的基本功能
         本模型机共设计三大类指令，其中包括运算类指令，控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算，逻辑运算和移位运算。数据转移类指令包含访问内存指令、输入输出指令等，控制类指令包括停机指令等。实现的功能如:两寄存器的内容相加减，寄存器中数据的移位,外设与寄存器内容交换等多种功能。

3、模型机硬件设计

3.1 模型机总体结构设计
         总体结构设计包括确定模型机应具有的基本功能部件以及它们之间的数据通路。根据课堂中所掌握的知识我们可以知道,计算机是由五大部件组成,包括:运算器,控制器，存储器，输入设备和输出设备。所以我们在设计硬件时基于所给出的实验平台选出我们所需要的五大部件(其中包括一些必要的寄存器件)。根据课堂上掌握的只是我们可以知道计算机中总线类型分为: 数据总线，地址总线，控制总线。因此我们在连接线路时脱离不了这三大类型相应的信号(数据信号，地址信号，控制信号)。并且我们根据冯诺依曼机的特点可以知道，计算机的指令在内存中按照其执行顺序存放,并且对于微程序控制器的计算机,控存中必须有固化的微指令。

3.2模型机的硬件实现
         在本次设计中，硬件的实现基于已给出的实验平台，并根据我们所设计的模型机选择具有控制数据通路开关的必须元器件，通过接插线(各种连线等)将具有控制数据通路的相关引脚进行器件连接,组成所设计的模型机硬件系统(物理机)。

3.3模型机数据通路的设计
         在上面总体结构和硬件实现的基础上,我们组根据各部件之间的逻辑组成关系并综合考虑计算机的速率以及可靠性等各方面因素,设计出合理的数据通路结构。数据通路的不同,执行指令所需要的逻辑操作也就不同，计算机的结构也就不同。在此基础上,在后面的微指令设计阶段，就可以依据数据通路关系确定模型机工作过程中的所有微操作，并进- -步确定微指令格式中的相应微命令。本模型机的硬件实现电路如下图所示:

图中MC单元(控制器)与其右侧的三个单元之间以及ALU&REG单元间的连线均为本模型机中数据通路的控制开关的引脚,控制相关微命令从而执行对应的微操作。本模型机的数据通路框图:

4、模型机机器指令系统设计

4.1指令设计
         模型机设计三大类指令共十六条，其中包括运算类指令、控制转移类指令,数据传送类指令。运算类指令包含两种运算，算术运算、逻辑运算，设计有5条运算类指令，分别为: ADD、AND、INC、 SUB、OR,所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有三条HLT、 JMP、BZC,指令。数据传送类指令有IN、 OUT、 MOV、LDI、 LAD、STA、 PUSH、 POP共6条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/0、 寄存器和存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。

4.2指令格式

所有单字节指令(ADD、 AND、INC、 SUB、OR、RR、 HLT和MOV)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:

IN和OUT的指令格式为:

其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-CODE为操作码, RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见图5-3-1 (在地址总线单元)。

由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表5-3-1所示:

系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。
LDI的指令格式如下，第-字节同前一样，第二字节为立即数。

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

其中M为寻址模式，具体见表5-3-2，以R2做为变址寄存器RI。

4.3指令系统
        本模型机共有15条基本指令，表5-3-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

5、模型机控制器微程序设计

5.1机器指令周期分析
         根据课堂所掌握的知识，我们可以知道机器指令周期可以分为两部分:取指周期和执行周期。在本模型机中不同的机器指令取指周期都是相同的,都需要经过两个CPU周期和P<1>测试。其中，两个CPU周期在数据通路.上先后完成PC->AR,PC+1和MEM->IR的控制和传送操作;在P<1>测试阶段，对机器指令的操作码进行测试，确定指令实现的功能。对于执行周期，每个机器指今执行过程互不相同，所经过的CPU周期数以及在不同周期对应的数据通路操作也不尽相同。设计过程中,我们组根据每- -条机器指令所要实现的功能，设计出其在执行过程中每个CPU周期在数据通路上完成的操作，并绘制出它的微程序流程图。

5.2模型机硬件译码电路
        和前面的实验相比，复杂模型机实验指令多，寻址方式多，只用一种测试已不能满足设计要求，为此指令译码电路需要重新设计。如图5-3-3所示在IR单元的INS、DEC 中实现。

其中，|[7] ~ |[0]为机器指令的第7位到第0位, T4表示在T4为高电平时有效。本实验用到4个通用寄存器R0~R3,对寄存器的选择是通过指令的第四位,为此还得设计一个寄存器译码电路:

5.3微程序流程图设计
         微程序流程图与方框图表示的指令的指令周期是一致的，一个方框是一个CPU周期，-一个CPU周期对应一条为指令。

5.4微指令格式设计

①由上述程序流程图可知，本模型机共用到了60条微指令，所以直接微地址需要6位
②控制数据通路开关的为命令共有16种(包括3种P测试),但考虑本机硬件上最大支持24位的微指令,若用直接表示法,微指令字较长, 24位可能不够,因此本模型机采用混合表示法;考虑到后期拓展及同组互斥的性质，将上述的微命令分到A，B，C三个字段中，每个字段长3位。
③模型机中有针对运算器的操作，因此需要5位控制参数CN和S3~S0控制运算器的工作方式
④模型机中有针对主存及外设的操作，所以需要3位微命令I0/M, WR和RD,分别表示针对外设/主存，读操作或写操作。
综上所述，我们所设计的模型机的微指令字长应为23位，但综合考虑到后后期功能的拓展以及设计.上的便捷，所以我们决定将字长拓展至24位。
微指令格式如下所示:

5.5微程序编码设计
微指令中A、B、C三个字段的编码方案如下表:

其中，M23为补充位，无效，置为0;I0M位置0时为主存，置1时为I0外设;WR和RD置1时有效，置0时无效。

5.6微指令地址及控存存储器设计
         首先确定取值过程中两条微指令在控存中地址,以及第二条指令的直接微地址。其次,在此模型机中，所有机器指令执行过程中第一条微指令所在的微地址由P<1>测试前的默认微地址和机器指令操作码经P<1>测试后决定;其次,执行过程中最后-条微指令的直接地址应该设为第-条取值微指令所在的微地址;然后，设置其余微指令所在的微地址,我们组采用的方法为对于每一道微程序,若不存在P<2>和P<3>测试,则入口地址从低到高从上向下为每条微指令分配微地址，因为下一条微指令的微地址即为上一条微指令的直接微地址，若存在P<2>或P<3>测试，则还应通过译码电路来求其后续微地址;最后，分配完微地址后,将所有微指令写入控存对应的位置中。对于控存的要求,控存的容量至少要等于所有微指令的个数，即控存的位数应大于等于直接微地址的位数。

6、模型机功能测试

6.1整机功能调试
        本次课程设计一个复杂指令模拟计算机,其硬件系统的组成必须包含CPU、主存、输入输出系统，当然还有连接这些部件的系统总线。CPU又进- -步由运算器和控制器以及各种寄存器等组成。对于微程序控制器的计算机，控制存储器中必须预先固化相应的微指令。依据各部件之间的逻辑组成关系,设计出模型机的总体结构和数据通路。复杂指令模型机硬件连线如下图所示。

复杂模型机数据流向图如下

6.2机器指令功能调试
         在本次课程设计中，我们小组一共设计了16条指令，其中DDEC和DAB指令具有递减二、得出两数大小关系的功能。对于DDEC指令，我们是在DEC原指令的基础上修改的。在原来的DEC中，存储在R0中的数据送入ALU单元进行递减操作后，会立马送回R0，在这里我们修改了最后一条微指令，当在ALU单元完成了递减操作后，送入R0，然后又继续送入ALU单元，进行递减操作，最后送入R0，之后再提起下一条指令。

         在设计下一条比较两数大小关系指令的时候，我们遇到了非常多的困难。其中在按照地址转移的一个跳转指令遇到了难题。系统无法按照理想的情况跳转到应该去的地方。后面请教了老师和同学，才把问题搞懂。这条指令的格式为DAB A ,B，得出结果：如果A>B,则输出B,A<B,则输出A,若两数相等，则输出C。这条指令的设计我们采取的方案是融合多条指令，合并成一条指令。简而言之，需要先写出多指令的算法，然后把这些多指令的微指令连续的拼接在一起。我们采取的算法是：从IN单元分别输入两个数，分别存储在R0,R1,然后同时送入ALU单元进行相减，根据是否产生借位筛选出一种情况（这里筛选出的是大于），然后将两数还原，再同时送入ALU单元，进行相减操作（注意此时两数的位置发生了交换），进行同样的借位判断，筛选出一种情况，同时另一种情况也就筛选出来了。

7、结论

         在本次课程设计中，学会了简单模型机和复杂模型机的设计，同时也对微指令有了更加深刻的了解。在课设初期，我们组先验证简单模型机的工作原理和微指令对程序运行的控制。在第一次验证的原理的时候，总是得不出正确答案。多次验证程序和微指令并确保无误后，检查连线，发现有条线居然忘连了。后面为了保证程序可以正确运行，我们又重新插了一次线，确保无误后，编译并运行程序。最终，终于得出正确结果。之后我们在CMA软件上对程序的每一步进行原理学习，力求搞懂每一步为什么要这样？对于一些难题，我们采取小组讨论和询问同学、老师的办法。最后，我们用了一天的时间完成了简单模型机的验证。在课程设计的第二天，我们开始进行复杂模型机的原理验证，在第一天的教训下，我们组对每一个环节进行了严格的审查，最终仅用了一上午的时间完成了复杂模型机的原理验证。在下午，我们便开始了进行新指令的设计和测试程序的设计。但是期间在微指令这块遇到了一个难题，就是我们的程序只可以单步执行，不可以连续执行。在查找一下午的原因后，我们发现原来是实验箱的问题，并非是程序的问题。在第三天我们的任务便是完成整机测试和编写答辩材料。通过本次课设，自己也是学到了很多，特别是在团队合作方面，为今后的团队工作提供了一定的团队经验。

8、致谢

         在本次计算机组成原理课程设计中，还是非常感谢同学们和老师的帮助。在开始的简单模型机的原理论证方面，自己在P测试上面遇到了困难，对其工作原理不是很了解。后来经过同学们一番讲解后，自己才理解了P测试的正确意思。在后面的微指令与程序指令的联系时，开始的时候也是云里雾里，好在当时老师给我指点迷津，这才让我们更快的完成复杂模型机的论证。

9、附录

附录一
DINC指令整机测试代码和微指令集合

$P 00 20;IN R0,00H
$P 01 00  
$P 02 30;OUT 40H,R0 
$P 03 40 
$P 04 70;DDEC R0 
$P 05 30;OUT 40H,R0 
$P 06 40 
$P 07 50;HALT

$M 00 000001 ;NOP 
$M 01 006D43 ;PC->AR, PC加1 
$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> 
$M 04 002405 ; RS->B 
$M 05 04B201 ; A加B->RD 
$M 06 002407 ; RS->B 
$M 07 013201 ; A与B->RD 
$M 08 106009 ; MEM->AR 
$M 09 183001 ; IO->RD 
$M 0A 106010 ; MEM->AR 
$M 0B 063201 ; 
$M 0C 103001 ; MEM->RD 
$M 0D 200601 ; RD->MEM
$M 0E 005341 ; A->PC 
$M 0F 0000CB ; NOP, P<3> 
$M 10 280401 ; RS->IO 
$M 11 103001 ; MEM->RD 
$M 12 063238 ; A减1->RD 
$M 13 002414 ; RS->B 
$M 14 05B201 ; A减B->RD 
$M 15 002416 ; RS->B 
$M 16 01B201 ; A或B->RD 
$M 17 002418 ; RS->B 
$M 18 02B201 ; A右环移->RD 
$M 1B 005341 ; A->PC 
$M 1C 10101D ; MEM->A 
$M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2> 
$M 1E 10601F ; MEM->AR 
$M 1F 101020 ; MEM->A 
$M 20 10608C ; MEM->AR, P<2> 
$M 28 101029 ; MEM->A 
$M 29 00282A ; RI->B 
$M 2A 04E22B ; A加B->AR
 $M 2B 04928C ; A加B->A, P<2> 
$M 2C 10102D ; MEM->A 
$M 2D 002C2E ; PC->B 
$M 2E 04E22F ; A加B->AR 
$M 2F 04928C ; A加B->A, P<2> 
$M 30 001604 ; RD->A 
$M 31 001606 ; RD->A 
$M 32 006D48 ; PC->AR, PC加1 
$M 33 006D4A ; PC->AR, PC加1 
$M 34 003401 ; RS->RD 
$M 35 000035 ; NOP 
$M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 
$M 37 001612 ; RD->A 
$M 38 00160B ; RD->A 
$M 39 001615 ; RD->A 
$M 3A 001617 ; RD->A 
$M 3B 000001 ; NOP 
$M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 
$M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1 
$M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1 
$M 3F 006D6C ; PC->AR, PC加1

附录二
两数比较大小整机测试代码和对应微指令

$P 00 20;IN R0,00H 
$P 01 00 
$P 02 21;IN R1,00H 
$P 03 00
$P 04 81;SUB R0,R1 
$P 05 F0;BZC case1 
$P 06 0C 
$P 07 62;LDI R2,0AH 
$P 08 0A 
$P 09 38;OUT 40H,R2 
$P 0A 40 
$P 0B 50;HALT 
$P 0C 01;case1:ADD R1,R0 
$P 0D 84;SUB R0,R1 
$P 0E F0;BZC case2 
$P 0F 15 
$P 10 62;LDI R2,0BH 
$P 11 0B 
$P 12 38;OUT 40H,R2 
$P 13 40 
$P 14 50;HALT 
$P 15 62;LDI R2,0CH 
$P 16 0C 
$P 17 38;OUT 40H,R2 
$P 18 40 
$P 19 50;HALT

$M 00 000001 ;NOP 
$M 01 006D43 ;PC->AR, PC加1 
$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> 
$M 04 002405 ; RS->B 
$M 05 04B201 ; A加B->RD 
$M 06 002407 ; RS->B 
$M 07 013201 ; A与B->RD 
$M 08 106009 ; MEM->AR 
$M 09 183001 ; IO->RD 
$M 0A 106010 ; MEM->AR 
$M 0B 000001 ; NOP 
$M 0C 103001 ; MEM->RD 
$M 0D 200601 ; RD->MEM
$M 0E 005341 ; A->PC 
$M 0F 0000CB ; NOP, P<3> 
$M 10 280401 ; RS->IO 
$M 11 103001 ; MEM->RD 
$M 12 063201 ; A加1->RD 
$M 13 002414 ; RS->B 
$M 14 05B201 ; A减B->RD 
$M 15 002416 ; RS->B 
$M 16 01B201 ; A或B->RD 
$M 17 002418 ; RS->B 
$M 18 02B201 ; A右环移->RD 
$M 1B 005341 ; A->PC 
$M 1C 10101D ; MEM->A 
$M 1D 10608C ; MEM->AR, P<2> 
$M 1E 10601F ; MEM->AR 
$M 1F 101020 ; MEM->A 
$M 20 10608C ; MEM->AR, P<2> 
$M 28 101029 ; MEM->A 
$M 29 00282A ; RI->B 
$M 2A 04E22B ; A加B->AR
 $M 2B 04928C ; A加B->A, P<2> 
$M 2C 10102D ; MEM->A 
$M 2D 002C2E ; PC->B 
$M 2E 04E22F ; A加B->AR 
$M 2F 04928C ; A加B->A, P<2> 
$M 30 001604 ; RD->A 
$M 31 001606 ; RD->A 
$M 32 006D48 ; PC->AR, PC加1 
$M 33 006D4A ; PC->AR, PC加1 
$M 34 003401 ; RS->RD 
$M 35 000035 ; NOP 
$M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 
$M 37 001612 ; RD->A 
$M 38 001613 ; RD->A 
$M 39 001615 ; RD->A 
$M 3A 001617 ; RD->A 
$M 3B 000001 ; NOP 
$M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 
$M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1 
$M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1 
$M 3F 006D6C ; PC->AR, PC加1

一、实验内容

1. 实验目的

综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机。

2. 实验目标

在充分理解复杂模型机原理的基础上，自行编写机器指令及其对应的微程序，达到使用复杂模型机计算海伦公式的目标。

3.实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

二、实验原理

1)数据格式

此次使用的模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，8位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：0≤X≤2⁸-1。

2)指令设计

根据海伦公式计算中所需要的指令，设计三大类模型机指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令、数据传送类指令。

运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有 6 条运算类指令，分别为：ADD、AND、DEC、SUB、OR、SAR，所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。

控制转移类指令有三条 HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT 为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。

数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA 共 6 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，除 MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。

3)指令格式

所有单字节指令（ADD、AND、DEC、SUB、OR、SAR、HLT和MOV）格式如下：

7 6 4 5	3 2	1 0
OP-CODE	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：

RS或RD	选定的寄存器
00	R0
01	R1
10	R2
11	R3

IN和OUT的指令格式为：

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	RS	RD	P

其中括号中的 1 表示指令的第一字节，2 表示指令的第二字节，OP-CODE 为操作码，RS为源寄存器，RD 为目的寄存器，P为 I/O 端口号，占用一个字节，系统的 I/O地址译码原理见图1（在地址总线单元）。

图1 I/O地址译码原理图

由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表1所示：

表1 I/O地址空间分配

A7 A6	选定	地址空间
00	IOY0	00-3F
01	IOY1	40-7F
10	IOY2	80-BF
11	IOY3	C0-FF

系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。

LDI的指令格式如下，第一字节内容与上文同，第二字节为立即数。

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	RS	RD	data

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	M	RD	data

其中M为寻址模式，具体见表2，以R2作为变址寄存器RI。

表2 寻址方式

寻址模式M	有效地址E	说明
00	E=D	直接寻址
01	E=(D)	间接寻址
10	E=(RI)+D	RI变址寻址
11	E=(PC)+D	相对寻址

4)指令系统

根据实验计算海伦公式的目标，设计的15条基本指令如下，包括指令的格式、汇编符号、指令功能。

表3 指令描述

三、总体设计

模型机的数据通路框图如图2所示。

图2 数据通路框图

实验使用的模型机指令多，寻址方式多，指令译码电路需要复杂设计。图3所示在IR单元的INS-DEC中实现。

图3 指令译码原理图

本实验中要用到四个通用寄存器R3~R0，而对寄存器的选择是通过指令的低四位，为此还得设计一个寄存器译码电路，在IR单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现，如图4所示。

图4 寄存器译码原理图

根据设计的机器指令要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图5所示。

按照系统建议的微指令格式，见表4，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，如表5，并将二进制代码表转化为联机操作时的十六进制格式文件。

表4 微指令格式

图5 微指令流程图

表5 二进制码表

地址	十六进制表示	高五位	S3-S0	A字段	B字段	C字段	UA5-UA0
00	000001	00000	0000	000	000	000	000001
01	006D43	00000	0000	110	110	101	000011
03	107070	00010	0000	111	000	001	110000
04	002405	00000	0000	010	010	000	000101
05	04B201	00000	1001	011	001	000	000001
06	002407	00000	0000	010	010	000	000111
07	013201	00000	0010	011	001	000	000001
08	106009	00010	0000	110	000	000	001001
09	183001	00011	0000	011	000	000	000001
0A	106010	00010	0000	110	000	000	010000
0B	000001	00000	0000	000	000	000	000001
0C	103001	00010	0000	011	000	000	000001
0D	200601	00100	0000	000	011	000	000001
0E	005341	00000	0000	101	001	101	000001
0F	0000CB	00000	0000	000	000	011	001011
10	280401	00101	0000	000	010	000	000001
11	103001	00010	0000	011	000	000	000001
12	063201	00000	1100	011	001	000	000001
13	002414	00000	0000	010	010	000	010100
14	05B201	00000	1011	011	001	000	000001
15	002416	00000	0000	010	010	000	010110
16	01B201	00000	0011	011	001	000	000001
17	002418	00000	0000	010	010	000	011000
18	033201	00000	0110	011	001	000	000001
1B	005341	00000	0000	101	001	101	000001
1C	10101D	00010	0000	001	000	000	011101
1D	10608C	00010	0000	110	000	010	001100
1E	10601F	00010	0000	110	000	000	011111
1F	101020	00010	0000	001	000	000	100000
20	10608C	00010	0000	110	000	010	001100
28	101029	00010	0000	001	000	000	101001
29	00282A	00000	0000	010	100	000	101010
2A	04E22B	00000	1001	110	001	000	101011
2B	04928C	00000	1001	001	001	010	001100
2C	10102D	00010	0000	001	000	000	101101
2D	002C2E	00000	0000	010	110	000	101110
2E	04E22F	00000	1001	110	001	000	101111
2F	04928C	00000	1001	001	001	010	001100
30	001604	00000	0000	001	011	000	000100
31	001606	00000	0000	001	011	000	000110
32	006D48	00000	0000	110	110	101	001000
33	006D4A	00000	0000	110	110	101	001010
34	003401	00000	0000	011	010	000	000001
35	000035	00000	0000	000	000	000	110101
36	006D51	00000	0000	110	110	101	010001
37	001612	00000	0000	001	011	000	010010
38	001613	00000	0000	001	011	000	010011
39	001615	00000	0000	001	011	000	010101
3A	001617	00000	0000	001	011	000	010111
3B	000001	00000	0000	000	000	000	000001
3C	006D5C	00000	0000	110	110	101	011100
3D	006D5E	00000	0000	110	110	101	011110
3E	006D68	00000	0000	110	110	101	101000
3F	006D6C	00000	0000	110	110	101	101100

根据实验计算海伦公式的目标，以及基于此设计的机器指令，在模型机实现以下运算：从IN单元读入三角形三边（要求输入三边一定能构成三角形），求此三角形的面积平方，将所求结果存于61H单元，机器指令流程图如图6。

图6 机器指令流程图

根据流程图设计表6程序，地址和内容均为二进制。

表6 机器指令程序

地址	内容	助记符	说明
00000000	00100000	IN R0,00H	读入a
00000001	00000000
00000010	00100001	IN R1,00H	读入b
00000011	00000000
00000100	00100010	IN R2,00H	读入c
00000101	00000000
00000110	11010000	STA 60H,R0	将a存入60H
00000111	01100000
00001000	00000100	ADD R0,R1	a+b存入R0
00001001	00001000	ADD R0,R2	a+b+c存入R0
00001010	01100011	LDI R3,01H	将1存入R3
00001011	00000001
00001100	10101100	SAR R0,R3	a+b+c向右移一位，R0=P
00001101	01000011	MOV R3,R0	将p移入R3
00001110	10000100	SUB R0,R1	R0=P-B
00001111	01001101	MOV R1,R3	将P存入R1
00010000	10001001	SUB R1,R2	P-C存入R1
00010001	01000010	MOV R2,R0	将R0移入R2，作为乘数准备
00010010	01110001	DEC R1	将另一个乘数减1，做好准备
00010011	11110000	BZC RESULT	判断
00010100	00011011
00010101	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00010110	01110001	DEC R1
00010111	11110000	BZC RESULT	判断
00011000	00011011
00011001	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00011010	00010101
00011011	01001101	MOV R1,R3	将P存回R1
00011100	01110001	DEC R1	将另一个乘数减1，做好准备
00011101	11110000	BZC RESULT	判断
00011110	00100110
00011111	01000010	MOV R2,R0	将R0移入R2，作为乘数准备
00100000	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00100001	01110001	DEC R1
00100010	11110000	BZC RESULT	判断
00100011	00100110
00100100	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00100101	00100000
00100110	11000001	LAD 00 R1,60H	将a重新放入R1
00100111	01100000
00101000	10000111	SUB R3,R1	R3=P-A
00101001	01001101	MOV R1,R3	R3->R1
00101010	01000010	MOV R2,R0	R0->R2
00101011	01110001	DEC R1
00101100	11110000	BZC RESULT	判断
00101101	00110100
00101110	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00101111	01110001	DEC R1
00110000	11110000	BZC RESULT	判断
00110001	00110100
00110010	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00110011	00101110
00110100	11010000	STA 61H,R0	将所得结果存入61H
00110101	01100001
00110110	00110000	OUT 40H,R0	将所得结果输出
00110111	01000000

四、实验步骤

1. 按图6连接实验线路，仔细检查连线后打开实验箱电源。

图7 实验连线图

2. 写入实验程序，并进行校验。

联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，本次实验程序如下，程序中分号'；'为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。 TXT文件如下：

; //*************************************** // 
; //                                 // 
; //       复杂模型机实验指令文件    // 
; //                                 // 
; //       By TangDu CO.,LTD         // 
; //                                 // 
; //*************************************** // 
; //****** Start Of Main Memory Data ****** //
$P 00 20	;IN R0,00H
$P 01 00	
$P 02 21	;IN R1,00H
$P 03 00	
$P 04 22	;IN R2,00H
$P 05 00	
$P 06 D0	;STA 60H,R0
$P 07 60	
$P 08 04	;ADD R0,R1
$P 09 08	;ADD R0,R2
$P 0A 63	;LDI R3,01H
$P 0B 01	
$P 0C AC	;SAR R0,R3
$P 0D 43	;MOV R3,R0
$P 0E 84	;SUB R0,R1
$P 0F 4D	;MOV R1,R3
$P 10 89	;SUB R1,R2
$P 11 42	;MOV R2,R0
$P 12 71	;DEC R1
$P 13 F0	;BZC RESULT
$P 14 1B	
$P 15 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 16 71	;DEC R1
$P 17 F0	;BZC RESULT
$P 18 1B	
$P 19 E0	;JMP LOOP
$P 1A 15	
$P 1B 4D	;MOV R1,R3
$P 1C 71	;DEC R1
$P 1D F0	;BZC RESULT
$P 1E 26	
$P 1F 42	;MOV R2,R0
$P 20 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 21 71	;DEC R1
$P 22 F0	;BZC RESULT
$P 23 26	
$P 24 E0	;JMP LOOP
$P 25 20	
$P 26 C1	;LAD 00 R1,60H
$P 27 60	
$P 28 87	;SUB R3,R1
$P 29 4D	;MOV R1,R3
$P 2A 42	;MOV R2,R0
$P 2B 71	;DEC R1
$P 2C F0	;BZC RESULT
$P 2D 34	
$P 2E 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 2F 71	;DEC R1
$P 30 F0	;BZC RESULT
$P 31 34	
$P 32 E0	;JMP LOOP
$P 33 2E	
$P 34 D0	;STA 61H,R0
$P 35 61	
$P 36 30	;OUT 40H,R0
$P 37 40	
; //***** End Of Main Memory Data *****// 

; //** Start Of MicroController Data **//
$M 00 000001    ; NOP   
$M 01 006D43    ; PC->AR, PC加1   
$M 03 107070    ; MEM->IR, P<1>   
$M 04 002405    ; RS->B   
$M 05 04B201    ; A加B->RD   
$M 06 002407    ; RS->B   
$M 07 013201    ; A与B->RD   
$M 08 106009    ; MEM->AR   
$M 09 183001    ; IO->RD   
$M 0A 106010    ; MEM->AR   
$M 0B 000001    ; NOP   
$M 0C 103001    ; MEM->RD   
$M 0D 200601    ; RD->MEM   
$M 0E 005341    ; A->PC   
$M 0F 0000CB    ; NOP, P<3>   
$M 10 280401    ; RS->IO   
$M 11 103001    ; MEM->RD   
$M 12 063201    ; A减1->RD   
$M 13 002414    ; RS->B   
$M 14 05B201    ; A减B->RD   
$M 15 002416    ; RS->B   
$M 16 01B201    ; A或B->RD   
$M 17 002418    ; RS->B   
$M 18 033201    ; A右移->RD   
$M 1B 005341    ; A->PC   
$M 1C 10101D    ; MEM->A   
$M 1D 10608C    ; MEM->AR, P<2>   
$M 1E 10601F    ; MEM->AR   
$M 1F 101020    ; MEM->A   
$M 20 10608C    ; MEM->AR, P<2>   
$M 28 101029    ; MEM->A   
$M 29 00282A    ; RI->B   
$M 2A 04E22B    ; A加B->AR   
$M 2B 04928C    ; A加B->A, P<2>   
$M 2C 10102D    ; MEM->A   
$M 2D 002C2E    ; PC->B   
$M 2E 04E22F    ; A加B->AR   
$M 2F 04928C    ; A加B->A, P<2>   
$M 30 001604    ; RD->A   
$M 31 001606    ; RD->A   
$M 32 006D48    ; PC->AR, PC加1   
$M 33 006D4A    ; PC->AR, PC加1   
$M 34 003401    ; RS->RD   
$M 35 000035    ; NOP   
$M 36 006D51    ; PC->AR, PC加1   
$M 37 001612    ; RD->A   
$M 38 001613    ; RD->A   
$M 39 001615    ; RD->A   
$M 3A 001617    ; RD->A   
$M 3B 000001    ; NOP 
$M 3C 006D5C    ; PC->AR, PC加1   
$M 3D 006D5E    ; PC->AR, PC加1   
$M 3E 006D68    ; PC->AR, PC加1   
$M 3F 006D6C    ; PC->AR, PC加1 

3. 运行程序

进入软件界面，选择菜单命令"【实验】—【CISC 实验】"，打开相应的数据通路图，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序。

按动CON单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，当模型机执行完OUT指令后，检查OUT单元显示的数是否正确。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

五、实验结果

考虑到模拟机的硬件约束，因此采用边长分别为3、4、5的三角形来测试程序。

按程序步骤依次输入3、4、5后，程序最终输出24H（即十进制36），结果符合预期，可认为机器指令及对应的微程序设计正确，模型机可按海伦公式计算三角形面积的平方。

图8 实验结果图

六、实验中遇到的问题与分析

海伦公式的实现需要用到乘法，程序中使用累加的方式实现乘法，但乘数一开始是从原数开始累加，而不是从0开始累加，因此需要在乘法前就需要将另一个乘数减1，否则执行乘法时会多加一次。

第十一章 模型机课程设计

计算机组成原理实验教程 基于多思网络虚拟实验系统 张雯雰

1. 实验目的

   1. 融会贯通所学知识，设计和调试一台模型计算机
   2. 进一步掌握计算机组成的基本原理，建立整机概念
   3. 培养工程设计和研究能力

2. 实验要求

   1. 独立思考，独立设计，独立调试。
   2. 用心思考，精心设计，细心调试。
   3. 写出课程设计报告

3. 实验任务

   1. 设计一台模型机，要求模型机的指令集如下表所示：
      

   2. 编写程序，求S=1+2+3+┈+N,0<N<20，N从数据开关输入，S存入存储器，并在模型机上运行此程序。

   3. 调试成功之后，整理出设计文档，包括：电路总框架图、微程序控制器电路图、微指令格式表、微程序流程图、微程序代码表、指令代码表、程序代码。

4. 设计思路与难点分析

   最简单的设计思路，就是从现有的系统出发，在此基础上进行修改。前面有些章节已经实现了一个非常简单的模型机。因此，可以从这个模型机入手，进行比较、分析和设计。

   先看指令的条数，与前面章节的简单模型机相比，本设计的模型机功能更强、指令数更多，从4条指令增加到10条指令，这就意味着对应的微程序及微指令也增加了。微指令多了，就会需要更多存储单元，微地址的位数就可能有变化。

   由于每一条微指令都包括下一条微指令的地址，微地址的位数必然影响微指令的长度，因此微指令的格式需要修改。

   另外，简单模型机中的微指令长度为24位，正好可以用3片EPROM2716来存放，如果指令长度增加，3片EPROM2716就放不下了。解决的办法一般有两种，一是使用4片EPROM2716，二是依旧使用3片EPROM2716，但在指令格式中使用译码字段、在电路中增加译码器来减少位数，保持指令的长度不变。为了电路的简洁，建议使用第一种方法。

   无论使用以上哪种方法，微地址形成电路都需要修改，因此以前的电路最多只能生成4位的微地址，显然满足不了现在的需求。

   再比较指令的功能，此模型机比前面章节的模型机多了4条算术逻辑运算指令和2条访存指令，其中比较特殊的是相等则跳转指令，这是一条条件转移指令，只有满足比较结果相等的条件才执行跳转操作。为实现此功能，需要做的主要工作有：

   1. 增加一片D型触发器74LS175作为状态条件寄存器，用于保存74LS181的A=B输出引脚的值。
   2. 在微指令格式中增加一个判别测试位P（2）和一个标志影响位LDSC。LDSC位高电平有效，只有此位为1的微指令才会影响状态条件寄存器的值，此位为0的微指令运算结果不存入状态条件寄存器。
   3. 修改微地址形成电路，在电路中使用P（2）来进行判别测试，并根据状态条件寄存器的值形成正确的跳转地址。

   微程序控制器设计是此实验的难点，其他电路模块几乎不需要修改，在设计时请开动脑筋、查阅相关资料。

5. 实验内容与步骤

   1. 模型机数据通路总体设计。根据指令集的功能要求设计模型机的数据通路，请将图1补充完整，标出各控制信号的名称。

2. 微程序控制器设计，请在下面画出微程序控制器详细电路图，并标出各种信号。
3. 微指令格式设计，请将微指令格式填入表11-2

4. 微程序流程设计，请完成图11.2的微指令流程图
   

5. 微程序代码设计，请将微程序代码填入表11-3
   

6. 指令设计，请将指令格式、操作码等填入表11-4
   

7. 程序设计,编写程序,求S=1+2+3+┈+N,0<N<20，N从数据开关输入，S存入存储器，填入表11-5
   
   

8. 按照以上设计修改电路，修改RAM内容，修改微程序存储器内容，在模型机上运行程序，观察运行过程和结果，如果有错误，找到并改正错误，一直到正确为止。注意电路的初始化过程和输入地址、数据的时机。

实验

图1：

表11-2 微指令格式

图11.2微指令流程图

表11-3 微程序二进制代码表

表11-4 机器指令表

序号	指令符号	指令二进制代码	长度
1	IN	00000000	8bit
2	ADD	00010000	16bit
3	STA	00100000	16bit
4	JMP	00110000	16bit
5	SUB	01000000	16bit
6	CMP	01010000	16bit
7	INC	01100000	8bit
8	CLA	01110000	8bit
9	LDA	10000000	16bit
10	BEQ	10010000	16bit

表11-5 内存中的程序与数据

内存地址	内容	含义
00	00000000	IN N
01	00100000	STA N
02	00011011
03	01110000	CLA
04	00100000	STA S
05	00011100
06	00100000	STA count
07	00011101
10	01100000	INC
11	00100000	STA count
12	00011101
13	00010000	ADD S
14	00011100
15	00100000	STA S
16	00011100
17	10000000	LDA count
20	00011101
21	01010000	CMP N
22	00011011
23	10010000	BEQ ->
24	00010111
25	00110000	JMP -> 10
26	00001000
27	10000000	LDA S
30	00011100
31	00110000	JMP ->
32	00011001
33		存放N
34		存放S
35		存放count
36
37

实验总结：

实验结合了实验五的简单模型机，在理解了实验五的基础上进行实验。首先根据指令集写出微程序流程图，设计过程中发现CLA和CMP使用到了ALU的功能，查询功能表后使用了logical0功能和A=B接口，BEQ功能要实现跳转需要添加一个判别位P（2），CMP需要添加一个标志影响位LDSC；然后设计微指令格式，将uA0-4、S0-3放在一起；接着设计微程序代码，其中将BEQ跳转后设为相等跳转11111，不相等跳转01111，由P(2)和CMP的结果决定uA4；最后设计实验电路，在实验五的基础上，将EPROM2716C3替换为EPROM2716C4，并连接上各个控制信号，将原来的74LS175替换为74LS174，用于暂存新增的地址线uA4，并添加相应的或门与门，增加一片74LS175和两片与门，用于CMP中ALU的A=B输出的保存。

程序设计先写出伪代码，再转换成微程序，最后写出内存中的内容。

本次实验难点在于设计微程序代码，要将每一步的微程序理清和知道每个控制信号控制什么，还需要理解判别位的功能、选址的原理才能完成。

实验电路:https://download.csdn.net/download/weixin_43924621/18199717