用唐都实验箱通过微指令实现冒泡排序，原码一位乘和栈的相关操作

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摘要

1 前言

2 实验原理

2.1 数据格式

2.2 指令格式

2.3 数据通路框图

3 总体****设计

3.1 微指令流程图

3.2 指令系统

3.3 线路连接图

4 详细设****计

4.1 冒泡排序

4.2 原码一位乘

4.3 堆栈

5 实验结果

5.1 冒泡排序

5.2 原码一位乘

5.3堆栈

6 参考文献

摘要

本次课程设计首先对复杂模型机进行研究，了解复杂模型机的工作原理，然后实现实验箱中硬件接线，并用测试样例测试连线是否正确。测试通过后，对复杂模型机指令系统进行运用和改写，通过编写汇编语言代码和微程序指令，实现了冒泡排序、四位原码一位乘和栈这三个功能。

关键字：复杂模型机 冒泡排序 原码一位乘 栈

1 前言

《计算机组成原理》是高等学校计算机专业的一门核心课程，通过对复杂模型机的学习， 可以 使学生理解单处理机系统的组成结构，以及各功能部件的组成和工作原理， 帮助学生建立计算机的整机概念。

模型机必须能提供不同复杂程度的数据通路和运算功能，必须能实现不同复杂程度的指令系统。 复杂模型机首先要实现一个简单的CPU，并且在此 CPU 的基础上，继续构建一个复杂的模型计算机。 CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）， 指令寄存器（IR）、程序计 数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图 3.1 所示。这个 CPU 在写入相应的微指令后， 就具备了 执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意 义， 所以还需要在该 CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个复杂的模型计算机。

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。

在本次复杂模型机实验中，我们通过硬件接线、程序运行和冒泡排序、补码一位乘法和堆栈功能代码的编写，深入了解了计算机系统各模块的工作原理及相互间的联系，熟悉计算机内部的数据流向，清晰建立计算机整机概念。

2 实验原理

2.1 数据格式

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。

寄存器为8位，数据字段长度FFH。

2.2 指令格式

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

表 2.2.1 单字节指令

其中， OP-CODE 为操作码，RS 为源寄存器， RD 为目的寄存器， 并规定：

表 2.2.2 RS,RD

IN 和 OUT 的指令格式为：

表 2.2.3 IN,OUT

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.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2.3.2 所示：

表 2.2.4 I/O 地址空间分配

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。

表 2.2.5 寻址

LAD 、STA 、JMP 和 BZC 指令格式如下。

表 2.2.6 指令格式

其中 M 为寻址模式， 具体见表 2.2.7，以 R2 做为变址寄存器 RI。

表 2.2.7 寻址方式

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2XnziDOY-1679752238166)(file:///C:\Users\cfreeze\AppData\Local\Temp\ksohtml18156\wps3.jpg)]

2.3 数据通路框图

本模型机的数据通路框图如图 2.4.1 所示。

图 2.3.1 数据通路框图

3 总体设计

3.1 微指令流程图

本模型机共有15条基本指令，表3.1.1列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表3.1.1 基本指令说明

依据功能需要，我们把复杂模型机中的指令进行了一定的更改，把地址为 3B 的保留指令设计为 DEC 指令，并把地址为 15 的微指令更改为自减一指令

3.2 指令系统

经过更改后的微指令二进制代码表如表 3.2.1 所示。

表 3.2.1 二进制代码表

3.3 线路连接图

实验线路图如图3.2.1 所示，实验开始前需仔细检查接线后打开实验箱电源。

图3.3.1 线路连接图

4 详细设计

4.1 冒泡排序

4.1.1 冒泡排序流程图

图4.1.1 冒泡排序流程图

*4.1.2 设计原理*

冒泡排序（Bubble Sort）是排序算法里面比较简单的一个排序。它重复地走访要排序的数列，一次比较两个数据元素，如果顺序不对则进行交换，并一直重复这样的走访操作，直到没有要交换的数据元素为止

*4.1.3 总体思路*

先输入待排序的数量至 R0，接着保存长度到 F1H 中，从 F1H 处取出数据送到 R2， 此步作为输入循环控制。

输入待排序数至 R0，采用变址寻址方式保存数据， 其中 E0 为基地址，寄存器R2自减，若R2不等于0，则重新进入输入循环控制中； 若R2等于0，则跳到外循环控制中。

将R3中的数据送到R2中，R2作为内循环控制。接着通过变址寻址方式取值送到R1中， 作为当前比较数，之后把最大值送入到 F2 中，保存最大数。

比较 R0 与 R1 中的数据，若R1大于R0，则保存较大值位置，并取出较小值送到 R0，把较小值 R0 存到原来较大值的位置，再将R2自减；否则 直接进入 R2 自减步骤。判断 R2 是否为 0，若是，R3 自减，否则进入内循环控制。接着判断 R3 是否 为 0，若是则输出结果， 否则进入内循环控制。

*4.1.4 源程序代码*

$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

;存放数字

$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 原码一位乘

4.2.1设计原理

。

4.2.2总体思路

在定点补码一位乘的过程中，给各个寄存器和存储单元赋初值，再通过乘数放乘积的低八位，存储单元和寄存器r0放乘数的高八位，每次先判断乘数最低位是否为0，为1则进行部分积加被乘数，同时保留溢出，保留部分积最低位，将乘数最低位置零，再加上部分积的最低位并进行一次右环移),再将部分积最低位置零再右环移，并加回溢出值，判断结束，运算结束输出结果，否则返回再循环。

4.2.3流程图

定点原码一位乘的总体流程如图所示：

图4.2.3 补码一位乘流程图

4.2.4 源程序代码

$P 00 20 ;IN R0, 00H

$P 01 00 ;

$P 02 21 ;IN R1, 00H ;读取输入的值分别存储到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 ;计数

$P 0B 00 ;

$P 0C 63 ;LDI R3, 00H ;部分积

$P 0D 00 ;

$P 0E D0 ;STA 00, F0H, R0 ;存储X的数据到f0单元

$P 0F F0 ;

$P 10 60 ;LDI R0, 00H ;初始化进位标志位为0

$P 11 00 ;

$P 12 D0 ;STA 00H, F4H, R0 ;存储进位标志

$P 13 F4 ;

$P 14 72 ;INC R2

$P 15 60 ;LDI R0,05H ;循环次数：5-1=4

$P 16 05 ;

$P 17 88 ;SUB R0, R2 ;比较循环次数

$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 ;最后一位为0跳转

$P 1E 21

$P 1F E0 ;JMP Preser1 ;为1跳另一个

$P 20 31

$P 21 60 ;LDI R0,01H;

$P 22 01

$P 23 D2 ;STA 00H, F1H, R2 ;存储计数值

$P 24 F1

$P 25 A1 ;RR R1,R0

$P 26 A3 ;RR R3,R0 ;部分积和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 ;;;右一后将乘数第一位补充上

$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 ;加一个X

$P 34 F0 ;BZC C0 相加有进位，

$P 35 55 ;

$P 36 D2 ;STA 00H, F1H, R2 ;存储计数值

$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 ;存储进位标志

$P 58 F4

$P 59 80 ;SUB R0,R0 ;清空进位标志位

$P 5A E0 ;JMP C1 ;相加有进位返回此处

$P 5B 36

$P 5C C0 ;LAD 00H, F4H, R0 ;取出进位标志位

$P 5D F4 ;

$P 5E 62 ;LDI R2,01H

$P 5F 01 ;

$P 60 82 ;SUB R2,R0

$P 61 F0 ;BZC A2 ;进位为1

$P 62 68 ;

$P 63 62 ;LDI R2, 7FH

$P 64 7F ;

$P 65 1B ;AND R3,R2 ;让部分积最高位置0

$P 66 E0 ;JMP A1 ;;部分积最高位为0

$P 67 45 ;

;A2:

$P 68 62 ;LDI R2, 80H

$P 69 80 ;

$P 6A 9B ;OR R3, R2 ;部分积最高位置1

$P 6B 60 ;LDI R0, 00H ;重置标志位为0

$P 6C 00 ;

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

$P 6E F4 ;

$P 6F E0 ;JMP A1

$P 70 45 ;

4.3 堆栈

4.3.1 设计原理

栈（stack）又称堆栈，它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称进栈、入栈或者是压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之称为新的栈顶元素；从一个栈删除一个元素又称出栈或者是退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素称为新的栈顶元素。当栈中没有任何元素时称为空栈。

4.3.2 栈约束

图4.3.2.1 栈初始化

图4.3.2.2 入栈

图4.3.2.3 出栈

图4.3.2.4 上溢说明

4.3.3 堆栈流程图

图4.2.3 堆栈流程图

4.3.4 源程序代码

4.3.5 微程序代码

$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 实验结果

5.1 冒泡排序

依次输入1,3,2三个数，经排序，数码管应依次显示结果01,02，03，实验结果符合预期，如图5.1.1、5.1.2、5.1.3所示。

图5.1.1 冒泡排序实验结果1

图5.1.2 冒泡排序实验结果2

图5.1.3 冒泡排序实验结果3

5.2 原码一位乘

低四位输入0010（十进制为2），高四位输入0100（十进制为4），高四位和低四位相乘，输出结果应为十进制的08，实验结果符合预期，如图5.2所示。

图5.2 原码一位乘实验结果

5.3堆栈

输入0000 0001，实现入栈功能，将01压入栈，数码管应显示01，实验结果符合预期，如图5.3.1所示

图5.3.1 入栈实验结果

继续入栈，设置栈内容量为2，因此将两个01压入栈，会发生溢出，数码管应显示FF，实验结果符合预期，如图5.3.2所示

图5.3.2 溢出实验结果

输入0000 0010，实现元素出栈功能。

输入0000 0100，实现显示栈内元素功能，之前压入栈的数据为01，因此显示01，运行结果如图5.3.3所示

图5.3.3 显示栈内元素实验结果

输入0000 1000，实现显示栈内元素个数功能，之前将两个01压入栈，因此数码管应显示02，运行结果符合预期，如图5.3.4所示。

图5.3.4 显示栈内元素个数实验结果

输入0001 0000，实现清空栈内元素功能，此时，栈内元素清空，数码管应显示00，实验结果符合预期，如图5.3.5所示

图5.3.5 清空栈实验结果

此时，栈内无元素，在此显示栈内元素，数码管应显示00，实验结果符合预期，如图5.3.6所示。

文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-774935.html

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