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摘要

1 前言

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 數(shù)據(jù)格式

2.2 指令格式

2.3 數(shù)據(jù)通路框圖

3 總體****設(shè)計

3.1 微指令流程圖

3.2 指令系統(tǒng)

3.3 線路連接圖

4 詳細(xì)設(shè)****計

4.1 冒泡排序

4.2 原碼一位乘

4.3 堆棧

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 冒泡排序

5.2 原碼一位乘

5.3堆棧

6 參考文獻(xiàn)

摘要

本次課程設(shè)計首先對復(fù)雜模型機(jī)進(jìn)行研究，了解復(fù)雜模型機(jī)的工作原理，然后實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱中硬件接線，并用測試樣例測試連線是否正確。測試通過后，對復(fù)雜模型機(jī)指令系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用和改寫，通過編寫匯編語言代碼和微程序指令，實(shí)現(xiàn)了冒泡排序、四位原碼一位乘和棧這三個功能。

關(guān)鍵字：復(fù)雜模型機(jī) 冒泡排序 原碼一位乘 棧

1 前言

《計算機(jī)組成原理》是高等學(xué)校計算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，通過對復(fù)雜模型機(jī)的學(xué)習(xí)， 可以 使學(xué)生理解單處理機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以及各功能部件的組成和工作原理， 幫助學(xué)生建立計算機(jī)的整機(jī)概念。

模型機(jī)必須能提供不同復(fù)雜程度的數(shù)據(jù)通路和運(yùn)算功能，必須能實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜程度的指令系統(tǒng)。 復(fù)雜模型機(jī)首先要實(shí)現(xiàn)一個簡單的CPU，并且在此 CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個復(fù)雜的模型計算機(jī)。 CPU 由運(yùn)算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）， 指令寄存器（IR）、程序計 數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖 3.1 所示。這個 CPU 在寫入相應(yīng)的微指令后， 就具備了 執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU 必須和主存掛接后，才有實(shí)際的意 義， 所以還需要在該 CPU 的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個復(fù)雜的模型計算機(jī)。

模型機(jī)設(shè)計三大類指令共十五條，其中包括運(yùn)算類指令、控制轉(zhuǎn)移類指令， 數(shù)據(jù)傳送類指令。 運(yùn)算類指令包含三種運(yùn)算，算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和移位運(yùn)算，設(shè)計有 6 條運(yùn)算類指令，分別為：ADD、 AND 、INC 、SUB 、OR、RR，所有運(yùn)算類指令都為單字節(jié)，尋址方式采用寄存器直接尋址。控制轉(zhuǎn) 移類指令有三條 HLT 、JMP 、BZC，用以控制程序的分支和轉(zhuǎn)移，其中 HLT 為單字節(jié)指令，JMP 和 BZC 為雙字節(jié)指令。數(shù)據(jù)傳送類指令有 IN 、OUT、MOV、LDI、LAD 、STA 共 6 條，用以完成寄存 器和寄存器、寄存器和 I/O、寄存器和存儲器之間的數(shù)據(jù)交換， 除 MOV 指令為單字節(jié)指令外，其余 均為雙字節(jié)指令。

在本次復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)中，我們通過硬件接線、程序運(yùn)行和冒泡排序、補(bǔ)碼一位乘法和堆棧功能代碼的編寫，深入了解了計算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互間的聯(lián)系，熟悉計算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流向，清晰建立計算機(jī)整機(jī)概念。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 數(shù)據(jù)格式

模型機(jī)規(guī)定采用定點(diǎn)補(bǔ)碼表示法表示數(shù)據(jù)，字長為８位， 8 位全用來表示數(shù)據(jù)（最高位不表示符號） ，數(shù)值表示范圍是： 0≤X≤28－1。

寄存器為8位，數(shù)據(jù)字段長度FFH。

2.2 指令格式

所有單字節(jié)指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）格式如下：

表 2.2.1 單字節(jié)指令

其中， OP-CODE 為操作碼，RS 為源寄存器， RD 為目的寄存器， 并規(guī)定：

表 2.2.2 RS,RD

IN 和 OUT 的指令格式為：

表 2.2.3 IN,OUT

其中括號中的1表示指令的第一字節(jié)，2表示指令的第二字節(jié)，OP-CODE為操作碼，RS為源寄存器，RD為目的寄存器，P為I/O端口號，占用一個字節(jié).用的是地址總線的高兩位進(jìn)行譯碼，I/O地址空間被分為四個區(qū)，如表2.3.2 所示：

表 2.2.4 I/O 地址空間分配

系統(tǒng)設(shè)計五種數(shù)據(jù)尋址方式，即立即、直接、間接、變址和相對尋址，LDI 指令為立即尋址， LAD 、STA 、JMP 和 BZC 指令均具備直接、間接、變址和相對尋址能力。LDI 的指令格式如下， 第一字節(jié)同前一樣，第二字節(jié)為立即數(shù)。

表 2.2.5 尋址

LAD 、STA 、JMP 和 BZC 指令格式如下。

表 2.2.6 指令格式

其中 M 為尋址模式， 具體見表 2.2.7，以 R2 做為變址寄存器 RI。

表 2.2.7 尋址方式

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2.3 數(shù)據(jù)通路框圖

本模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路框圖如圖 2.4.1 所示。

圖 2.3.1 數(shù)據(jù)通路框圖

3 總體設(shè)計

3.1 微指令流程圖

本模型機(jī)共有15條基本指令，表3.1.1列出了各條指令的格式、匯編符號、指令功能。

表3.1.1 基本指令說明

依據(jù)功能需要，我們把復(fù)雜模型機(jī)中的指令進(jìn)行了一定的更改，把地址為 3B 的保留指令設(shè)計為 DEC 指令，并把地址為 15 的微指令更改為自減一指令

3.2 指令系統(tǒng)

經(jīng)過更改后的微指令二進(jìn)制代碼表如表 3.2.1 所示。

表 3.2.1 二進(jìn)制代碼表

3.3 線路連接圖

實(shí)驗(yàn)線路圖如圖3.2.1 所示，實(shí)驗(yàn)開始前需仔細(xì)檢查接線后打開實(shí)驗(yàn)箱電源。

圖3.3.1 線路連接圖

4 詳細(xì)設(shè)計

4.1 冒泡排序

4.1.1 冒泡排序流程圖

圖4.1.1 冒泡排序流程圖

*4.1.2 設(shè)計原理*

冒泡排序（Bubble Sort）是排序算法里面比較簡單的一個排序。它重復(fù)地走訪要排序的數(shù)列，一次比較兩個數(shù)據(jù)元素，如果順序不對則進(jìn)行交換，并一直重復(fù)這樣的走訪操作，直到?jīng)]有要交換的數(shù)據(jù)元素為止

*4.1.3 總體思路*

先輸入待排序的數(shù)量至 R0，接著保存長度到 F1H 中，從 F1H 處取出數(shù)據(jù)送到 R2， 此步作為輸入循環(huán)控制。

輸入待排序數(shù)至 R0，采用變址尋址方式保存數(shù)據(jù)， 其中 E0 為基地址，寄存器R2自減，若R2不等于0，則重新進(jìn)入輸入循環(huán)控制中； 若R2等于0，則跳到外循環(huán)控制中。

將R3中的數(shù)據(jù)送到R2中，R2作為內(nèi)循環(huán)控制。接著通過變址尋址方式取值送到R1中， 作為當(dāng)前比較數(shù)，之后把最大值送入到 F2 中，保存最大數(shù)。

比較 R0 與 R1 中的數(shù)據(jù)，若R1大于R0，則保存較大值位置，并取出較小值送到 R0，把較小值 R0 存到原來較大值的位置，再將R2自減；否則 直接進(jìn)入 R2 自減步驟。判斷 R2 是否為 0，若是，R3 自減，否則進(jìn)入內(nèi)循環(huán)控制。接著判斷 R3 是否 為 0，若是則輸出結(jié)果， 否則進(jìn)入內(nèi)循環(huán)控制。

*4.1.4 源程序代碼*

$P 00 21 ;IN R1,00H

$P 01 00 ;

$P 02 71 ;INC R1

$P 03 D1 ;STA R1,60H

$P 04 60 ;

$P 05 60 ;LDI R0,01H

$P 06 01

;LOOP:

$P 07 C1 ;LAD R1,60H

$P 08 60 ;

$P 09 81 ;SUB R1,R0

$P 0A F0 ;BZC HALT///OUT

$P 0B 26

$P 0C D1 ;STA R1,60H

$P 0D 60 ;

$P 0E 81 ;SUB R1,R0

$P 0F D1 ;STA R1,5FH

$P 10 5F

$P 11 62 ;LDI R2,61H

$P 12 61

;LOOP2:

$P 13 C8 ;LAD R0,[RI],00H

$P 14 00

$P 15 72 ;INC R2

$P 16 C9 ;LAD R1,[RI],00H

$P 17 00 ;

$P 18 84 ;SUB R0,R1

$P 19 F0 ;BZC EX

$P 1A 37 ;

;RET:

$P 1B 60 ;LDI R0,01H

$P 1C 01

$P 1D C3 ;LAD R3,5FH

$P 1E 5F ;

$P 1F 83 ;SUB R3,R0

$P 20 D3 ;STA R3,5FH

$P 21 5F ;

$P 22 F0 ;BZC LOOP

$P 23 07

$P 24 E0 ;JMP LOOP2

$P 25 13

$P 26 62;LDI R2,60HLOOP///OUT

$P 27 60

$P 28 60;LDI R0,03

$P 29 03

$P 2A 72;INC R2

$P 2B C9;LAD R1

$P 2C 00

$P 2D 34;OUT

$P 2E 40

$P 2F 61;DEC R0,LDIR1 01 SUB

$P 30 01

$P 31 84

$P 32 F0;BZC HALT

$P 33 36

$P 34 E0;JMP LOOP

$P 35 2A

$P 36 50 ;HALT

;EX:

$P 37 E0 ;JMP 29

$P 38 39 ;

$P 39 CB ;LAD R3,[RI],00H

$P 3A 00

$P 3B 60 ;LDI R0,01H

$P 3C 01

$P 3D 82 ;SUB R2,R0

$P 3E C8 ;LAD R0,[RI],00H

$P 3F 00

$P 40 72 ;INC R2

$P 41 D8 ;STA R0,[RI],00H

$P 42 00

$P 43 60 ;LDI R0,01H

$P 44 01

$P 45 82 ;SUB R2,R0

$P 46 D9 ;STA R1,[RI],00H

$P 47 00 ;

$P 48 72 ;INC R2

$P 49 E0 ;JMP RET

$P 4A 1B

;存放數(shù)字

$P 61 01

$P 62 03

$P 63 02

$P 64 04

$P 65 05

$P 66 06

$P 67 06

$P 68 08

$P 69 09

$P 6A 0A

$P 6B 0B

$P 6C 0C

$P 6D 0D

$P 6E 0E

$P 6F 0F

$P 70 10

$P 71 11

$P 72 12

$P 73 12

$P 74 14

4.2 原碼一位乘

4.2.1設(shè)計原理

。

4.2.2總體思路

在定點(diǎn)補(bǔ)碼一位乘的過程中，給各個寄存器和存儲單元賦初值，再通過乘數(shù)放乘積的低八位，存儲單元和寄存器r0放乘數(shù)的高八位，每次先判斷乘數(shù)最低位是否為0，為1則進(jìn)行部分積加被乘數(shù)，同時保留溢出，保留部分積最低位，將乘數(shù)最低位置零，再加上部分積的最低位并進(jìn)行一次右環(huán)移),再將部分積最低位置零再右環(huán)移，并加回溢出值，判斷結(jié)束，運(yùn)算結(jié)束輸出結(jié)果，否則返回再循環(huán)。

4.2.3流程圖

定點(diǎn)原碼一位乘的總體流程如圖所示：

圖4.2.3 補(bǔ)碼一位乘流程圖

4.2.4 源程序代碼

$P 00 20 ;IN R0, 00H

$P 01 00 ;

$P 02 21 ;IN R1, 00H ;讀取輸入的值分別存儲到R0和R1里

$P 03 00 ;

$P 04 62 ;LDI R2,F0H

$P 05 F0

$P 06 63 ;LDI R3,0FH

$P 07 0F

$P 08 18 ;AND R0,R2 ;X

$P 09 1D ;AND R1,R3 ;Y

$P 0A 62 ;LDI R2, 00H ;計數(shù)

$P 0B 00 ;

$P 0C 63 ;LDI R3, 00H ;部分積

$P 0D 00 ;

$P 0E D0 ;STA 00, F0H, R0 ;存儲X的數(shù)據(jù)到f0單元

$P 0F F0 ;

$P 10 60 ;LDI R0, 00H ;初始化進(jìn)位標(biāo)志位為0

$P 11 00 ;

$P 12 D0 ;STA 00H, F4H, R0 ;存儲進(jìn)位標(biāo)志

$P 13 F4 ;

$P 14 72 ;INC R2

$P 15 60 ;LDI R0,05H ;循環(huán)次數(shù)：5-1=4

$P 16 05 ;

$P 17 88 ;SUB R0, R2 ;比較循環(huán)次數(shù)

$P 18 F0 ;BZC Output ;zf=0 end

$P 19 49 ;

$P 1A 60 ;LDI R0,01H

$P 1B 01

$P 1C 14 ;AND R0,R1; 取最后一位的值

$P 1D F0 ;BZC Preser0 ;最后一位為0跳轉(zhuǎn)

$P 1E 21

$P 1F E0 ;JMP Preser1 ;為1跳另一個

$P 20 31

$P 21 60 ;LDI R0,01H;

$P 22 01

$P 23 D2 ;STA 00H, F1H, R2 ;存儲計數(shù)值

$P 24 F1

$P 25 A1 ;RR R1,R0

$P 26 A3 ;RR R3,R0 ;部分積和Y右移一位

$P 27 4C;MOV R0,R3

$P 28 62;LDI R2,08H

$P 29 08

$P 2A 18;AND R0,R2

$P 2B 01;ADD R1,R0 ;;;右一后將乘數(shù)第一位補(bǔ)充上

$P 2C 62 ;LDI R2, 80

$P 2D 80

$P 2E 1E ;AND R2,R3

$P 2F E0;JMP A0;;

$P 30 5C

$P 31 C0 ;LAD 00, F0H, R0 ;取出X

$P 32 F0

$P 33 03 ;ADD R3,R0 ;加一個X

$P 34 F0 ;BZC C0 相加有進(jìn)位，

$P 35 55 ;

$P 36 D2 ;STA 00H, F1H, R2 ;存儲計數(shù)值

$P 37 F1

$P 38 62 ;LDI R2, 80H

$P 39 80

$P 3A 60 ;LDI R0,01H

$P 3B 01

$P 3C A1 ;RR R1,R

$P 3D A3 ;RR R3,R0

$P 3E 4C;MOV R0,R3

$P 3F 62; LDI R2,08H

$P 40 08

$P 41 18;AND R0,R2

$P 42 01;ADD R1,R0

$P 43 E0;JMP A0

$P 44 5C

$P 45 C2 ;LAD 00H, F1H, R2

$P 46 F1

$P 47 E0 ;JMP Right

$P 48 14

$P 49 60 ;LDI R0,0FH

$P 4A 0F

$P 4B 62 ;LDI R2,F0H

$P 4C F0

$P 4D 1B ;AND R3,R2

$P 4E 11 ;AND R1,R0

$P 4F 07 ;ADD R3,R1

$P 50 3C ;OUT 40H, R3

$P 51 40;

$P 52 D3 ;STA 00H, F2H, R3

$P 53 F2

$P 54 50 ;HALT

$P 55 60 ;LDI R0 01H

$P 56 01 ;

$P 57 D0 ;STA 00H, F4H, R0 ;存儲進(jìn)位標(biāo)志

$P 58 F4

$P 59 80 ;SUB R0,R0 ;清空進(jìn)位標(biāo)志位

$P 5A E0 ;JMP C1 ;相加有進(jìn)位返回此處

$P 5B 36

$P 5C C0 ;LAD 00H, F4H, R0 ;取出進(jìn)位標(biāo)志位

$P 5D F4 ;

$P 5E 62 ;LDI R2,01H

$P 5F 01 ;

$P 60 82 ;SUB R2,R0

$P 61 F0 ;BZC A2 ;進(jìn)位為1

$P 62 68 ;

$P 63 62 ;LDI R2, 7FH

$P 64 7F ;

$P 65 1B ;AND R3,R2 ;讓部分積最高位置0

$P 66 E0 ;JMP A1 ;;部分積最高位為0

$P 67 45 ;

;A2:

$P 68 62 ;LDI R2, 80H

$P 69 80 ;

$P 6A 9B ;OR R3, R2 ;部分積最高位置1

$P 6B 60 ;LDI R0, 00H ;重置標(biāo)志位為0

$P 6C 00 ;

$P 6D D0 ;STA 00H, F4H, R0

$P 6E F4 ;

$P 6F E0 ;JMP A1

$P 70 45 ;

4.3 堆棧

4.3.1 設(shè)計原理

棧（stack）又稱堆棧，它是一種運(yùn)算受限的線性表。限定僅在表尾進(jìn)行插入和刪除操作。這一端被稱為棧頂，相對地，把另一端稱為棧底。向一個棧插入新元素又稱進(jìn)棧、入?；蛘呤菈簵?，它是把新元素放到棧頂元素的上面，使之稱為新的棧頂元素；從一個棧刪除一個元素又稱出棧或者是退棧，它是把棧頂元素刪除掉，使其相鄰的元素稱為新的棧頂元素。當(dāng)棧中沒有任何元素時稱為空棧。

4.3.2 棧約束

圖4.3.2.1 棧初始化

圖4.3.2.2 入棧

圖4.3.2.3 出棧

圖4.3.2.4 上溢說明

4.3.3 堆棧流程圖

圖4.2.3 堆棧流程圖

4.3.4 源程序代碼

4.3.5 微程序代碼

$P0020

$P0100

$P0261

$P0301

$P0484

$P05F0

$P0621

$P0720

$P0800

$P0961

$P0A02

$P0B84

$P0CF0

$P0D46

$P0E20

$P0F00

$P1061

$P1104

$P1284

$P13F0

$P145F

$P1520

$P1600

$P1761

$P1808

$P1984

$P1AF0

$P1B72

$P1C20

$P1D00

$P1E61

$P1F10

$P2064

$P21F0

$P227A

$P2120

$P2200

$P2362

$P2491

$P25C9

$P2600

$P2771

$P2862

$P2992

$P2ACB

$P2B00

$P2C73

$P2D87

$P2EF0

$P2F84

$P30D1

$P3191

$P3262

$P3393

$P34C9

$P3500

$P3646

$P37D8

$P3800

$P3961

$P3A01

$P3B86

$P3CD2

$P3D93

$P3E62

$P3FFF

$P40C9

$P4100

$P4234

$P4340

$P44E0

$P4500

$P4662

$P4790

$P48C9

$P4900

$P4A84

$P4BF0

$P4C84

$P4D62

$P4E93

$P4FC8

$P5000

$P5170

$P52D0

$P5393

$P5462

$P5591

$P56C8

$P5700

$P5861

$P5901

$P5A86

$P5BD2

$P5C91

$P5DE0

$P5E00

$P5F62

$P6093

$P61C8

$P6200

$P6362

$P6490

$P65C9

$P6600

$P6784

$P68F0

$P6900

$P6A70

$P6B42

$P6CC9

$P6D00

$P6E34

$P6F40

$P70E0

$P715F

$P7262

$P7391

$P74C9

$P7500

$P7634

$P7740

$P78E0

$P7900

$P7A62

$P7B90

$P7CC8

$P7D00

$P7E62

$P7F93

$P80D8

$P8100

$P8300

$P8460

$P8500

$P86D0

$P8791

$P82E0

$P8300

$P8461

$P85FF

$P8634

$P8740

$P88E0

$P8900

$P8A50

$P90FF

$P9100

$P9202

$P93FF

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 冒泡排序

依次輸入1,3,2三個數(shù)，經(jīng)排序，數(shù)碼管應(yīng)依次顯示結(jié)果01,02，03，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.1.1、5.1.2、5.1.3所示。

圖5.1.1 冒泡排序?qū)嶒?yàn)結(jié)果1

圖5.1.2 冒泡排序?qū)嶒?yàn)結(jié)果2

圖5.1.3 冒泡排序?qū)嶒?yàn)結(jié)果3

5.2 原碼一位乘

低四位輸入0010（十進(jìn)制為2），高四位輸入0100（十進(jìn)制為4），高四位和低四位相乘，輸出結(jié)果應(yīng)為十進(jìn)制的08，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.2所示。

圖5.2 原碼一位乘實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.3堆棧

輸入0000 0001，實(shí)現(xiàn)入棧功能，將01壓入棧，數(shù)碼管應(yīng)顯示01，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.3.1所示

圖5.3.1 入棧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繼續(xù)入棧，設(shè)置棧內(nèi)容量為2，因此將兩個01壓入棧，會發(fā)生溢出，數(shù)碼管應(yīng)顯示FF，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.3.2所示

圖5.3.2 溢出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入0000 0010，實(shí)現(xiàn)元素出棧功能。

輸入0000 0100，實(shí)現(xiàn)顯示棧內(nèi)元素功能，之前壓入棧的數(shù)據(jù)為01，因此顯示01，運(yùn)行結(jié)果如圖5.3.3所示

圖5.3.3 顯示棧內(nèi)元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入0000 1000，實(shí)現(xiàn)顯示棧內(nèi)元素個數(shù)功能，之前將兩個01壓入棧，因此數(shù)碼管應(yīng)顯示02，運(yùn)行結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.3.4所示。

圖5.3.4 顯示棧內(nèi)元素個數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入0001 0000，實(shí)現(xiàn)清空棧內(nèi)元素功能，此時，棧內(nèi)元素清空，數(shù)碼管應(yīng)顯示00，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.3.5所示

圖5.3.5 清空棧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此時，棧內(nèi)無元素，在此顯示棧內(nèi)元素，數(shù)碼管應(yīng)顯示00，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，如圖5.3.6所示。

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