计算机组成与系统结构课程设计

一、本课程设计的性质、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、本课程设计的基本理论
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：
编号 助记符 机器指令码 说明
0 SUB Rd,Rs 0000 RdRs Rd-Rs→Rd
1 ADD Rd,Rs 0001 RdRs Rd+Rs→Rd
2 AND Rd,Rs 0010 RdRs Rd&Rs→Rd （Rd和Rs相与）
3 DEC Rd 0011 Rd00 将Rd值减1
4 CLR Rd 0100 Rd00 将Rd清零
5 RL Rd 0101 Rd00 Rd循环左移一位
6 RR Rd 0110 Rd00 Rd循环右移一位
7 MOV Rd,Rs 0111 RdRs Rs→Rd
8 LDI Rd,* 1000 Rd00 XXXXXXXX 将指令中的立即数（第二字节）送入Rd
9 OUT IOH,Rs 1001 00Rs Rs→i/o(数据开关)高字节
10 LDA Rd,M 1010 Rd00 XXXXXXXX XXXXXXXX [M] →Rd
11 STA M,Rs 1011 00Rs XXXXXXXX XXXXXXXX Rs→[M]
12 JMP M 1100 0000 XXXXXXXX XXXXXXXX [M]→PC,即跳转到M所指单元
13 JZ M 1101 0000 XXXXXXXX XXXXXXXX 当Z=1时，跳转到M所指单元
14 JC M 1110 0000 XXXXXXXX XXXXXXXX 当CY=1时，跳转到M所指单元
15 HALT 1111 0000 停机

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：
Rs或Rd 选定的寄存器
00 R0
01 R1
10 R2
11 R3
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：
微地址位号 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
内容 1 1 IR7~IR4 0 0 0 0 0
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、基本要求
1、独立完成；
2、严格按上述指令集格式要求设计出模型机，实现各项功能，格式不得有任何改动；
3、运行老师指定的检测程序，检验所设计的模型机工作是否正常；
4、回答老师提问；
5、完成课程设计报告。

五、参考资料
1、无锡达爱思科教仪器厂自编.《十六位体系结构计算机组成原理实验指导书（第三版）》。重点学习“复杂模型机的设计与实现”（3.4节），参考“分段模型机的设计与实现”（3.2节）、“带移位运算的模型机的设计与实现”（3.3节）。
2、《计算机组成原理微控制器编程手册》。
3、《计算机组成与系统结构》，袁春风著。

六、课程设计报告的内容
1、报告封面
2、课程设计的性质、目的、任务
3、课程设计的基本理论
4、课程设计的题目
5、画出微程序流程图（树型图）
6、填写所设计的模型机微指令表（只填写有微指令的相关行）：
微址 M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 代码 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 代码 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 代码 后续微址 说明
E/M IP MWR R/M o2 o1 O0 OP M CN S2 S2 S0 X2 X1 X0 XP W ALU Iu IE IR Icz Ids

7、列表说明检测的机器指令程序，包括每个语句的地址、指令代码、助记符（即汇编语句）、功能说明。
8、运行检测程序后的结果图片。
9、存在的问题及体会

七、考核标准
1、符合以下之一者，不论完成如何，成绩为不及格：①抄袭，②缺席两次或以上，③不交课程设计报告，④完成三分之一以下指令。
2、全部实现所有指令集，检测程序check_1和check_2均通过，为独立完成者，并能正确回答问题，成绩为优；
3、实现并调通三分之二以上的指令，检测程序check_1通过，为独立完成者，成绩为良；
4、实现并调通二分之一的指令，通过部分检测，并为独立完成者，成绩为中；
5、实现并调通三分之一的指令，并为独立完成者，成绩为及格。