计算机组成原理课程设计 20081121125 穆瑜峰
内蒙古师范大学计算机与信息工程学院
《计算机组成原理》
课程设计报告
题目:_CPU与简单模型机的组成与程序运行__
姓 名 学 号 班 级 计算机科学与技术师范汉 指导教师 日 期 职称 计算机组成原理课程设计 20081121125 穆瑜峰
实验一 CPU与简单模型机的组成与程序运行
1． 设计任务
1.1 题目：简单模型机与程序运行
1.2 要求：基于TD-CMA 计算机组成原理教学实验系统，设计一个简单的计算机整机系统
—模型机，分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。 IN R0 ；IN ->R0 SUB 0DH ；R0 - [0DH] -> R0，直接寻址 SHL R0 ；将R0寄存器中的内容逻辑左移 STA 0EH，R0 ；R0->[0EH]，直接寻址 LDA 0FH，R0 ；[0FH]->R0，直接寻址 LOP: DEC R0 ；R0-1->R0 BZC EXIT ；当FC或FZ为1时，转到EXIT JMP LOP
EXIT: OUT 0EH，R0 ；[0EH]->LED，直接寻址 0DH、0EH、0FH单元内容分别为03H、04H、02H。
2. 设计设备
PC机一台，TD-CMA计算机组成原理教学实验系统
3. 设计原理和方法
3.1 设计原理 3.1.1 指令设计
模型机设计三大类指令共十五条，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、INC、SUB、OR、RR，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。
3.1.2 指令格式
所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和 MOV）格式如下：
7 6 5 4 OP-CODE RS或RD 3 2 RS 选定的寄存器 1 0 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：
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00 01 10 11 IN和 OUT的指令格式为： 7 6 5 4 OP-CODE 3 2 (1) RS RO R1 R2 R3 1 0 (1) RD 7—0 (2) P 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，第一字节同前一样，第二字节为立即数：
7 6 5 4 (1) OP-CODE 7 6 5 4 (1) OP-CODE 寻址模式M 00 01 10 11 3 2 (1) RS 3 2 (1) M 有效地址E E=D E=(D) E=(RI)+D E=(PC)+D 1 0 (1) RD 1 0 (1) RD 说明 直接寻址 间接寻址 RI变址寻址 相对寻址 7—0（2） data 7—0（2） D 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作为变址寄存器 RI:
3.1.3 指令系统： 汇编符号 MOV RD，RS ADD RD，RS SUB RD，RS AND RD，RS OR RD，RS RR RD，RS INC RD LAD M D,RD STA M D,RS 0100 0000 1000 0001 1001 1010 0111 指令的格式 RS RS RS RS RS RS RD RD RD RD RD RD 功能 RS → RD RD+RS → RD RD-RS → RD RD∧RS→RD RD∨RS→RD RS右循环→RD RD+1→RD E→RD RD→E ** RD 1100 M RD D 1101 M RD D 计算机组成原理课程设计 20081121125 穆瑜峰
JMP M D BZC M, D IN RD,P OUT P,RS HALT 1110 1111 M M ** ** D D E→PC 当FC或FZ=1 E→PC [P] →RD RS→[P] 停机 0010 0011 ** RS RD ** P P 0101 ** ** 3.1.4 微指令格式 23 M23 22 CN 21 WR 20 RD 10 IOM 18-15 14-12 11-9 8-6 5-0 S3-S0 A字段 B字段 C字段 UA5-UA0
其中，A、B、C三个字段的编码方案如下表：
A字段 14 13 12 000 001 010 011 100 101 110 111 选择 NOP LDA LDB LDRi 保留 LOAD LDAR LDIR 000 001 010 011 100 101 110 111 B字段 11 10 9 选择 NOP ALU-B RS_B RD_B RI_B 保留 PC_B 保留 000 001 010 011 100 101 110 111 C字段 8 7 6 选择 NOP P<1> P<2> P<3> 保留 LDPC 保留 保留
运算器逻辑功能表： 运算类型 S3 S2 S1 S0 CN 功能 计算机组成原理课程设计 20081121125 穆瑜峰
逻辑运算 0000 0001 0010 0011 0100 x x x x x F=A（直通） F=B（直通） F=AB（直通） F=/A A+B（直通） F=/A（直通） F=A 不带进位循环右移B（取低3 位）位 （FZ） F=A逻辑右移一位 （FZ） F=A 带进位循环右移一位 （FC，FZ） F=A 逻辑左移一位 （FZ） F=A 带进位循环左移一位 （FC，FZ） 置FC=CN （FC） F=A 加B （FC，FZ） F=A 加B 加FC （FC，FZ） F=A 减B （FC，FZ） F=A 减1 （FC，FZ） F=A 加1 （FC，FZ） （保留） （保留） 移位运算 0101 x 0 0110 1 0 0111 1 1000 x 1001 x 1010 x 1011 x 1100 x 1101 x 1110 x 1111 x 算术运算