2020计算机组成原理课程设计(桂电)

选题：A7-输入5个整数(有符号数)，输出它们的平均值，以及小于平均值的数的个数 (2020年)

作者：GUET_diadestiny
声明：未经允许，严禁转载抄袭，本人计组课设仅供参考学习用途 (源工程文件在本文末尾)，基于maxplus2软件实现cisc模型机。

一.课程设计题目

本程序功能要求输入5个整数(有符号数)，输出它们的平均值，以及小于平均值的数的个数。完成本题需要关注的子问题分别是：
（1）画出模型机数据通路框图，设计CISI模型机，根据题意设计汇编指令，将汇编代码转化成机器代码存于ROM区域中，并画出微程序流程图，为相关微指令设置对应的微命令。
（2）编写VHDL源程序，生成PC、AR、IR、ALU等部件框图和生成顶层top.gdf框图。
（3）利用运算器实现加法、减法、除法、与等运算，求出输入数的平均值以及统计小于平均值的个数。
（4）需要将输入数据存于RAM区域中，以便后续依次取出数据和平均值比较。
（5）根据p测试字段的个数设计逻辑电路的逻辑表达式。
（6）分析仿真波形图，将实验结果与预期结果进行对比分析。

二.整体设计与实现

2.1 CISC模拟机数据通路框图

系统采用三总线数据通路模型机，如图1所示。模型机由微处理器、地址寄存器AR、ROM存储器、RAM存储器等组成。微处理器由指令寄存器IR、通用寄存器R0-R3、程序计数器PC、算术逻辑运算单元ALU、程序状态字PWS、微控制器等组成。

2.2 操作控制器的逻辑框图(略,实验书上有)

2.3 模型机的指令系统和所有指令的指令格式

为了完成本题功能，指令系统设计了14条不同功能的指令，指令长度为双字节，有立即寻址、直接寻址、寄存器寻址三种不同的寻址方式。
14条指令助记符分别是IN(输入数据)、MOV(将数据移入寄存器)、STO（将数据存入RAM）、LAD（从RAM取出数据）、CMP（比较两个数大小）、TEST（测试与运算）、INC（自增一个单位）、DEC（自减一个单位）、JMP（无条件跳转）、JZ（为0则跳转）、JB（小于则跳转）、ADD（加法）、DIV（除法）、OUT（输出）。
指令具体格式设计如表1所示：

补充：对于Rs或者Rd寄存器，00表示选中R0, 01表示选中R1, 10表示选中R2, 11表示选中R3。

2.4 所有机器指令的微程序流程图

CISC模型及系统使用的微指令采用全水平型微指令，字长设计为27位，其中微命令字段18位，P字段为3位，后续微地址为6位，其格式如下：

结合上面的微指令表和流程图，则可以设计完整的地址转移逻辑电路，再结合微地址寄存器的异步置“1”端，实现为地址的多路转移。微地址寄存器的触发器异步置“1”端低电平有效，和UA5-UA0对应的异步置“1”控制信号SE5-SE0的逻辑表达式为：

SE5-SE0会与后续微地址共同作用实现指令的跳转，其中的SE4、SE5和微指令JZ、JB的后续跳转地址密切相关，决定是否跳转。

2.5 嵌入式CISC模型计算机的顶层电路图

编译好PC、AR、IR、ALU等部件框图后，连线生成top.gdf顶层图。

三、汇编语言及机器语言

算法设计思想及流程如下：
1.R3寄存器初始化为0，累计输入数值的和；R1寄存器初始化为5，作为计数器；R0寄存器作为RAM地址移动指针，通过TEST R1判断计数器是否为0控制循环输入5个数，R2保存输入的数值，写入到RAM区域中，并添加到R3累加器中。
2.输入完5个有符号数后，R1保存作除法后的平均值，并输出平均值。
3.R2保存小于平均值个数，依次从RAM读出5个数存入暂存寄存器R0中，与R1平均值比较，如果小于平均值则使R2自增1，依次比较5个数，最后将R2(保存小于平均值个数)输出。

四、功能仿真波形图及结果分析

根据模型机的设计，通过功能仿真波形图进行结果验证。系统设计end time为400.0us,CLR = 1,CLK = 200.0ns,并插入R0-R3、CF、ZF、RAM、IR等寄存器节点，进行观测调试，系统输入5个有符号整数进行仿真验证。
（1）测试数据组1：2、4、1、10、3（十进制含整数）
这5个数的平均值是4，小于平均值的个数为3个，由波形图输出结果可以看到验证正确。

（2）测试数据组2：-2、10、6、5、-4 （十进制含负数）
这5个数的平均值是3，小于平均值的个数为2个，由波形图输出结果可以看到验证正确。

仿真结果注意事项：输入数据需要覆盖IR的输入指令(本系统为1200H)的前端以及末端的一小段，保证数据的有效输入。在调试的过程中，根据IR的指令地址可以看到执行到哪一步，进行逐步调试，并时刻观察R0-R3寄存器和标记位以及RAM区域的数据是否更新正确。

五、故障现象和故障分析

在完成整个系统程序的过程中，由于前期对maxplus2软件不熟悉以及对模型机框架图运转流程不太清楚，所以遇到了以下一些问题：

题目需要求出平均值，需要利用除法，而VHDL语言没有现成的除法运算符号。
原因以及解决方案：起初无法实现除法是因为对VHDL语法不太熟悉，不懂怎么间接转化逻辑。通过咨询老师以及查阅资料，最后利用VHDL语言在ALU元件通过二进制循环减法间接实现除法运算，这也是A7题目的一个难点。
设定好输入数据后，仿真结果不正确或者没有输出数据。
原因以及解决方案：机器指令编写有问题或者数据输入位置有问题。在确保顶层图以及各个元件图连线无误后（特别是rom、controm、addr三个元件），通过在仿真器中根据IR显示的指令地址逐步分析出错位置，定位问题所在位置后改正该处的机器指令，以及确保正确输入数据位置，直至预期结果和仿真结果相一致。

六.基于maxplus2的工程源代码文件

2020计算机组成原理课程设计工程文件(桂电)
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参考链接：
1.https://blog.csdn.net/qq_38413498/article/details/104856687
某位学长的计组课设博客(含详细的maxplus2操作步骤流程)

ps:本人课设选题为A7，以上14条指令以及相关的微程序流程图、机器指令格式等都是根据题目需求量身设计的，相关表格以及图片也是参考过实验教材和亲自实验无误后才绘制的，希望能给您带来一定的帮助。