用高級(jí)語(yǔ)言VC++仿真指令流程和微命令序列 課程設(shè)計(jì)報(bào)告

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1、 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目全稱： 用高級(jí)語(yǔ)言VC++仿真指令流程和微命令序列 課程名稱： 計(jì)算機(jī)組成原理 指導(dǎo)老師： 職稱： 序號(hào) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 班號(hào) 成績(jī) 1 李鏡儒 2806005027 28060050 2 郭曉楠 2806005025 28060050 3 4 5 6 7 8 9

2、 10 （注：學(xué)生姓名填寫按學(xué)生對(duì)該課程設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)及工作量由高到底排列，分?jǐn)?shù)按排名依次遞減。序號(hào)排位為“1”的學(xué)生成績(jī)最高，排位為“10”的學(xué)生成績(jī)最低。） 指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)簽字： 正 文 一、 課題背景 1.1工作目的 在VC++環(huán)境下，開發(fā)軟件以仿真模型機(jī)指令按工作周期執(zhí)行時(shí)的處理流程和相應(yīng)的微命令，能對(duì)模型機(jī)的任意指令進(jìn)行正確仿真。 模型機(jī)中的指令包括： 傳送指令

3、：MOV 雙操作數(shù)指令： 加法指令 ADD, 減法指令 SUB, 按位與指令 AND, 按位或指令 OR, 按位異或指令 EOR； 單操作數(shù)指令： 按位求反指令COM， 求補(bǔ)指令 NEG， 自增指令 INC, 自減指令 DEC, 左移指令 SL, 右移指令 SR； 轉(zhuǎn)移類指令： 轉(zhuǎn)移指令 JMP， 轉(zhuǎn)子指令 JSR， 返回指令 RST； 1.2 工作意義 本課程設(shè)計(jì)目的在于用VC++實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以仿真模型機(jī)任意指令的微命令操作時(shí)間表的教學(xué)軟件。 由于目前尚未有《計(jì)算機(jī)組成原理》微命令仿真教學(xué)軟件投入教學(xué)使用中，所

4、以老師上課講講解CPU控制器微命令產(chǎn)生方式以及指令的操作時(shí)間表時(shí)，都是采用課件與習(xí)題結(jié)合的方式。但由于課程時(shí)間有限，不可能為學(xué)生講解所有指令操作時(shí)間表的生成過程。 因此，為了使學(xué)生能夠更加深入和詳細(xì)地理解各指令按工作周期執(zhí)行時(shí)的處理流程和相應(yīng)的微命令，也為了方便老師為同學(xué)展示相關(guān)過程，故設(shè)計(jì)此仿真教學(xué)軟件，以豐富教學(xué)手段。 二、 課題的需求分析 2.1 模型機(jī)指令分析 模型機(jī)指令類型如下表2-1所示： 操作碼 含義 操作碼 含義 MOV 傳送 INC 加1 ADD 加 DEC 減1 SUB 減 SL 左移 AND 按位與 SR 右移 OR

5、 按位或 JMP 轉(zhuǎn)移 EOR 按位異或 RST 返回 COM 按位取反 JSR 轉(zhuǎn)子 NEG 求補(bǔ) 表2-1 模型機(jī)指令類型 大體上來說，每個(gè)指令的工作周期都是由取指周期（FT），源周期（ST），目的周期（DT），執(zhí)行周期（ET）組成的，而在每個(gè)指令中，取指周期負(fù)責(zé)的操作都是相同的，即實(shí)現(xiàn)“M->IR，PC+1->PC”的操作，那么只需結(jié)合具體指令分析他們的ST，DT，ET的特點(diǎn)即可。以此為出發(fā)點(diǎn)，再結(jié)合表中信息，可將模型機(jī)指令大致分為以下幾類： 2.1.1傳送指令 傳送周期的源周期ST，就是根據(jù)源操作數(shù)的尋址方式找到源操作數(shù)；而目的周期DT，

6、也是根據(jù)目的操作數(shù)尋址方式找到目的操作數(shù)；在執(zhí)行周期ET中，實(shí)現(xiàn)將源操作數(shù)送目的。因此可看作是特殊的一類雙操作數(shù)指令。 2.1.2雙操作數(shù)指令 雙操作數(shù)指令主要是實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，在源周期取源操作數(shù)，目的周期取目的操作數(shù)，執(zhí)行周期中，根據(jù)指令的不同來執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)算或者位運(yùn)算，故這類指令有相同的源周期和目的周期，而和傳送指令比較，源周期ST都只是負(fù)責(zé)取到源操作數(shù)，故該類指令的源周期操作和傳送指令完全相同。 2.1.3.單操作數(shù)指令 單操作數(shù)與上兩類指令相比，只有一個(gè)操作數(shù)，且去操作數(shù)被安排在目的周期DT進(jìn)行，而這類指令也是對(duì)取到的操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或者位運(yùn)算，而這些運(yùn)算的差異具體又體

7、現(xiàn)在執(zhí)行周期中，故這類指令具有和雙操作數(shù)指令完全相同的目的周期。 2.1.4.轉(zhuǎn)移類指令 轉(zhuǎn)移類指令是一類特殊的指令，它們最終都是要改變PC的值以達(dá)到程序跳轉(zhuǎn)的目的，模型機(jī)中JMP指令沒有源周期和目的周期，但是卻可以帶不同尋址方式的操作數(shù)，來實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)的多樣化?？梢哉J(rèn)為，JMP指令是單操作指令，只是去操作數(shù)的操作被合并到執(zhí)行周期ET中了。 返回指令RST可以看做是特殊的JMP指令，它用于子程序最后返回主程序，也就是到堆棧中取出主程序斷點(diǎn)地址并送入PC。因此，它和“JMP -（SP）” 完全等效。 轉(zhuǎn)子指令特殊性體現(xiàn)在，指令中出現(xiàn)了子程序首地址，且可用不同的尋址方式給出。從這點(diǎn)看，它

8、與單操作數(shù)類似。但是，模型機(jī)中的轉(zhuǎn)子指令的操作數(shù)卻是安排在源周期ST中的，因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)可考慮做一些技術(shù)處理將它們統(tǒng)一起來。 2.2 模型機(jī)主要尋址方式分析 模型機(jī)中的主要的寄存器有：通用寄存器R0,R1,R2,R3，程序計(jì)數(shù)器PC，程序狀態(tài)字PSW，堆棧指針SP。支持的尋址方式主要有：立即數(shù)尋址，寄存器尋址，寄存器間接尋址，自增型寄存器間址，自減型寄存器間址，變址/相對(duì)尋址，如表2-2所示。模型機(jī)尋址功能的靈活性也決定了軟件設(shè)計(jì)時(shí)問題的復(fù)雜性。 尋址方式 助記符 可用寄存器 寄存器尋址 R R0,R1,R2,R3,PC,PSW 寄存器間址 (R) R0,R1

9、,R2,R3 立即數(shù)尋址 (PC)+ PC 自減型寄存器間址 -(R)，-(SP) R0,R1,R2,R3,SP 自增型寄存器間址 (R)+，(SP)+ R0,R1,R2,R3,SP 變址尋址 X(R) R0,R1,R2,R3 相對(duì)尋址 X(PC) PC 表2-2模型機(jī)尋址方式 其中比較特殊的有： 1.“-(SP)”和“(SP)+”，分別表示出棧和入棧，由棧的操作特性決定了“-(SP)”只能作為源操作數(shù)，“(SP)+”只能作為源操作數(shù)。且傳送指令既可以操作出棧也可以操作入棧；雙操作數(shù)指令、單操作數(shù)指令和轉(zhuǎn)移類指令不能進(jìn)行堆棧操作。 2.程序狀態(tài)字相關(guān)，

10、由于PSW反映了當(dāng)前程序的狀態(tài)信息和控制信息，因此限定PSW只能作為MOV指令中的操作數(shù)出現(xiàn)。 綜合分析了各尋址方式的助記符后，可統(tǒng)一為以下5種格式（R代指寄存器）：R，(R)， –(R)， (R)，+ X(R)。 2.3 軟件功能分析 軟件功能比較簡(jiǎn)單。即在接收用戶輸入的模型機(jī)指令后，生成對(duì)應(yīng)的微命令序列（如圖2-1所示），以操作時(shí)間表的形式向用戶展現(xiàn)。在用戶輸入指令后，軟件需要判斷指令的類型，操作數(shù)的尋址方式類型，尋址方式中出現(xiàn)的寄存器類型。在格式正確時(shí)才能生成操作時(shí)間表并展示給用戶，否則應(yīng)具有友好的出錯(cuò)提示，軟件工作過程如圖2-2所示。 圖2-1 用戶功能用例圖

11、 圖2-2 軟件工作流程圖 三、 課題的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3.1 課題概要設(shè)計(jì) 3.1.1 軟件大致界面設(shè)計(jì) 圖 3-1 軟件大致界面 文本框：用戶在文本框中輸入模型機(jī)指令的字符串 生成按鈕：用戶在輸入模型機(jī)指令后，點(diǎn)擊生成按鈕，軟件開始解析指令字符串，得到的信息有：指令類型，操作數(shù)個(gè)數(shù)，操作數(shù)尋址方式等。 空白部分：用于最后呈現(xiàn)出整個(gè)操作時(shí)間表，以框圖的形式，分成個(gè)工作周期展示。 3.1.2 指令工作流程設(shè)計(jì) 模型機(jī)各指令工作周期分為FT,ST,DT,ET，在每個(gè)周期中，操作所需的微命令是由指令和尋址方式共同決定的。因此，當(dāng)指令類型和尋址方式確定后，能夠

12、唯一確定該工作周期中所需的微命令。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)指令解析類，對(duì)用戶輸入的字符串進(jìn)行解析，解析生成的信息可確定微命令序列。 在解析完用戶輸入的指令字符串后，軟件按接收到的指令不同，對(duì)應(yīng)的操作也不同，因此，將每個(gè)指令分別作為一個(gè)對(duì)象，且對(duì)象之中都包含有對(duì)FT,ST,DT,ET各工作周期的處理方法，從面向?qū)ο蟮慕嵌葋砜?，它們的方法有很多類似之處，所以可以抽象出一個(gè)共同的父類，即指令類（CInstruction）。 在指令類處理結(jié)束后，軟件能夠得到，各工作周期中所需的全部微命令序列，剩下的工作交給負(fù)責(zé)展現(xiàn)操作時(shí)間表的類來完成。 3.1.3 軟件所需類設(shè)計(jì) 軟件所需類的整體圖情況如圖3-

13、2所示。 圖 3-2 軟件類整體圖 CComOrgApp、CComOrgDlg類 這兩個(gè)類是MFC框架生成的對(duì)話框相關(guān)的類，主要負(fù)責(zé)向用戶展示對(duì)話框，控制程序流程。 CInstInfo類 負(fù)責(zé)處理用戶輸入的指令字符串，將處理后得到的有用信息保存在自己的字段中，供其他類調(diào)用。 CMicroCommandFactory類 由于模型機(jī)的微命令種類很多，如果不集中管理將會(huì)增加軟件的復(fù)雜度和各個(gè)對(duì)象之間的耦合程度。因此，設(shè)計(jì)CMicroCommandFactory類來集中存放模型機(jī)的微命令序列，其他類需要微命令時(shí)，通過這個(gè)類來得到。 CInstCycle類

14、即指令工作周期類，用法是為每個(gè)指令實(shí)例化4個(gè)對(duì)象，分別標(biāo)識(shí)FT,ST,DT,ET。其中的字段表明了各工作周期的時(shí)鐘周期數(shù)，以及各時(shí)鐘周期的寄存器傳送語(yǔ)言及對(duì)應(yīng)的微命令序列 CInstruction類及各個(gè)指令的類 CInstruction類是各個(gè)指令類的父類，它的方法包含了對(duì)FT,ST,DT,ET的處理，而各指令類根據(jù)指令的差異來重寫這幾個(gè)方法。對(duì)各工作周期處理完畢后，其相關(guān)字段中保存著各工作周期的信息，也是用戶最終需要看見的信息。 CInstPaintor類 CInstPaintor類負(fù)責(zé)用戶所需信息的展示邏輯，得到指令類的消息后，便能完成展示工作。 3.2 課題詳細(xì)設(shè)

15、計(jì) 3.2.1 CInstInfo類字段及方法設(shè)計(jì) 圖3-3 CInstInfo類字段和方法 主要字段的作用 infoString：CString類型，保存用戶輸入的指令字符串 instType：保存指令類型信息 opNum：保存指令操作數(shù)個(gè)數(shù) op1Type：保存目的操作數(shù)的尋址方式 op1Cat：保存目的操作數(shù)使用的寄存器 主要方法的作用 instProcess()：解析字符串中屬于指令的部分，將指令類型信息存入instType字段 op1Process()：解析字符串中屬于目的操作數(shù)的部分，尋址方式存入op1Type，所用的寄存器存入op1Cat

16、 generateInfo()：根據(jù)指令類型，組織op1Process()和op2Process()，是對(duì)外的接口方法，調(diào)用該方法就能生成與指令相關(guān)的完整信息。 3.2.2 CMicroCommandFactory類字段及方法設(shè)計(jì) 圖3-4 CMicroCommandFactory類字段和方法 主要字段的作用 mcmdmap：軟件工作過程中，需要根據(jù)寄存器級(jí)傳送語(yǔ)言得到對(duì)應(yīng)的微命令序列，而他們之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即構(gòu)成映射。故可使用Map或Hashmap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成存放微命令序列，mcmdmap就是保存微命令序列的map類型的字段 3.2.3 CInstCy

17、cle類字段及方法設(shè)計(jì) 圖3-5 CInstCycle類字段和方法 主要字段的作用 opAry：CStringArray類型的字段，存放工作周期中的寄存器傳送語(yǔ)言操作。一般情況下，一個(gè)時(shí)鐘周期只執(zhí)行一條寄存器級(jí)傳送語(yǔ)言，如果是兩條也可以合并為一條，故opAry中元素個(gè)數(shù)指明了工作周期中的時(shí)鐘周期數(shù)。 mcmdAry：CStringArray類型的字段，存放每個(gè)寄存器傳送語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的微命令序列。 主要方法的作用 addOp()：用于添加寄存器傳送語(yǔ)言到opAry中，同時(shí)，依靠CMicroCommandFactory類得到對(duì)應(yīng)的微命令序列，存入mcmdAry中。

18、 3.2.4 CIntruction類字段及方法設(shè)計(jì) 圖3-6 CIntruction類字段和方法 主要字段的作用 instInfo：為CInstInfo類型，程序控制部分調(diào)用SET方法來設(shè)置。 numFT：指明取指周期數(shù)，其他幾個(gè)分別指明源周期數(shù)，目的周期數(shù)，執(zhí)行周期數(shù) pInstFT：為CInstCycle類型指針，標(biāo)識(shí)指令中的取指周期，其他幾個(gè)分別標(biāo)識(shí)源周期，目的周期，執(zhí)行周期 主要方法的作用 processFT()：對(duì)指令取指周期進(jìn)行處理，得到所有的寄存器傳送語(yǔ)句，及對(duì)應(yīng)的微命令序列，其他幾個(gè)分別對(duì)源周期，目的周期，執(zhí)行周期進(jìn)行處理，但其他

19、模塊不能直接調(diào)用這幾個(gè)方法，只能調(diào)用processInst() processInst()：用于處理整條指令，方法中調(diào)用了processFT(), processST(), processDT(),processET()。 3.2.5 CInstPaintor類字段及方法設(shè)計(jì) 圖3-7 CInstPaintor類字段和方法 主要方法的作用 paintFrame()：畫出操作時(shí)間表框圖的框架 paintInst()：畫出操作時(shí)間表 3.2.6 主要的宏定義 宏定義 值 作用 宏定義 值 作用 ERROR_INST -1 表明錯(cuò)誤的指

20、令 MOV_INST 0 表明是傳送指令 ADD_INST 1 表明是加指令 SUB_INST 2 表明是減指令 AND_INST 3 表明是按位與指令 OR_INST 4 表明是按位或指令 EOR_INST 5 表明是按位異或指令 COM_INST 6 表明是按位變反指令 NEG_INST 7 表明是求補(bǔ)指令 INC_INST 8 表明是加1指令 DEC_INST 9 表明是減1指令 SL_INST 10 表明是左移指令 SR_INST 11 表明是右移指令 JMP_INST 12 表明是轉(zhuǎn)移指令 RST_INS

21、T 13 表明是返回指令 JSR_INST 14 表明是轉(zhuǎn)子指令 EMPTY -1 表明尋址方式錯(cuò)誤 REG 0 表明是寄存器尋址 REG_IND 1 表明是寄存器間址 REG_MIND 2 表明自減型寄存器間址 REG_AIND 3 表明自增型寄存器間址 REG_INDEX 4 表明變址/相對(duì)尋址 SOP 1 表明是單操作數(shù) DOP 2 表明是雙操作數(shù) IS_R0 0 表明寄存器為R0 IS_R1 1 表明寄存器為R1 IS_R2 2 表明寄存器為R2 IS_R3 3 表明寄存器為R3 IS_SP 4 表

22、明寄存器為SP IS_PC 5 表明寄存器為PC IS_PSW 6 表明寄存器為PSW SAME_T 0 標(biāo)識(shí)同一時(shí)鐘周期 NOT_END_T 1 標(biāo)識(shí)該時(shí)鐘周期不是工作周期的最后一個(gè)時(shí)鐘 END_OF_FT 2 標(biāo)識(shí)該時(shí)鐘周期是取指周期的結(jié)束 END_OF_ST 3 標(biāo)識(shí)該時(shí)鐘周期是源周期的結(jié)束 END_OF_DT 4 標(biāo)識(shí)該時(shí)鐘周期是目的周期的結(jié)束 END_OF_ET 5 標(biāo)識(shí)該時(shí)鐘周期是執(zhí)行周期的結(jié)束 3.2.7 用戶點(diǎn)擊按鈕的消息處理函數(shù)的設(shè)計(jì) void CComOrgDlg::OnBnClickedGenbutton

23、() { CString infoString; //從文本框得到字符串送入infoString CInstInfo instInfo; instInfo.setInfoString(infoString); instInfo.generateInfo(); if(instInfo.getInstType() == ERROR_INST){ //提示用戶以正確的格式輸入指令 } else{ switch(instInfo.getInstType()){ //根據(jù)不同的指令生成指令類 } } } 四、 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 4.

24、1 課程設(shè)計(jì)最終效果圖 圖4-1為輸入指令“ADD X(PC),(R1)”后，生成的操作時(shí)間表。 圖4-1 程序運(yùn)行效果圖 4.2 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本課程設(shè)計(jì)用VC++最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型機(jī)指令按工作周期執(zhí)行時(shí)的處理流程和相應(yīng)的微命令的仿真，能夠?qū)δＰ蜋C(jī)支持的所有指令生成正確的操作時(shí)間表。在軟件設(shè)計(jì)過程中，借鑒了MVC模式，將數(shù)據(jù)部分，控制邏輯和顯示邏輯分開，實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)中的解耦，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。其中， CInstInfo，CInstCycle， CInstruction，CMicroCommandFactory類為數(shù)據(jù)處理部分，CComOrgDlg類中的各個(gè)消息負(fù)責(zé)程序流程的控制，CInstPaintor類負(fù)責(zé)操作時(shí)間表框圖的展示。 本課程設(shè)計(jì)完成了模型機(jī)指令仿真的教學(xué)軟件，具有實(shí)用性，可以投入到教學(xué)實(shí)際中使用。 通過本次課程設(shè)計(jì)，小組成員熟悉了模型機(jī)不同指令不同尋址方式的操作時(shí)間表，熟悉了各個(gè)操作對(duì)應(yīng)的微命令序列，熟悉了模型機(jī)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)了如何根據(jù)實(shí)際需求選定合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)使用VC++進(jìn)行軟件開發(fā)有了更深的理解。 本課程設(shè)計(jì)的可改進(jìn)之處是，可以設(shè)計(jì)相關(guān)的類，實(shí)現(xiàn)文件操作，將生成的操作時(shí)間表以文本格式保存到文件中，方便教師教學(xué)過程中制作課件使用。