计算机组成原理课程设计报告.docx

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计算机组成原理课程设计报告

计算机组成原理课程设计报告

班级：

计算机1106班姓名：

XXX学号：

XXXXXXXX

完成时间：

2013年1月

一、课程设计目的

1．在实验机上设计实现机器指令及对应的微指令（微程序）并验证，从而进一步掌握微程序设计控制器的基本方法并了解指令系统与硬件结构的对应关系；

2．通过控制器的微程序设计，综合理解计算机组成原理课程的核心知识并进一步建立整机系统的概念；

3．培养综合实践及独立分析、解决问题的能力。

二、课程设计的任务

针对COP2000实验仪，从详细了解该模型机的指令/微指令系统入手，以实现乘法和除法运算功能为应用目标，在COP2000的集成开发环境下，设计全新的指令系统并编写对应的微程序；之后编写实现乘法和除法的程序进行设计的验证。

三、课程设计使用的设备（环境）

1．硬件

●COP2000实验仪

●PC机

2．软件

●COP2000仿真软件

四、课程设计的具体内容（步骤）

1．详细了解并掌握COP2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现

（1）该模型机指令系统的特点：

指令系统设计

模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。

指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。

而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。

在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。

模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。

模型机的缺省的指令集分几大类：

算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、数据传输指令、跳转指令、中断返回指令、输入/输出指令、用户还可以自行设计自己的指令系统。

模型机寻址方式

模型机的寻址方式

指令举例说明

累加器寻址

操作数累加器A。

例如“CPLA”是将累加器A的值取反，还有些是隐含寻址累加器A；

例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。

寄存器寻址

参与运算的数据在R0-R3的寄存器中。

例如“ADDA,R0”是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中

寄存器间接寻址

参与运算的数据在寄存器EM中，数据的地址在寄存器R0-R3中。

例如“MOVA,@R1”是将寄存器R1的值作为地址，把存储器EM中该地址的内容送入累加器A中。

存储器直接寻址

将存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。

例如“ANDA,40H”40H单元的数据与累加器A的值作逻辑与运算，结果存入累加器A。

立即数寻址

参与运算的数据位指令的操作数。

例如“SUBA,#10H”从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。

指令格式

助记符

机器码1

机器码2

指令说明

_FATCH-

000000xx

实验机占用，不可修改。

复位后，所有寄存器清0，首先执行_FATCH_指令取指

ADDA,R?

000100xx

将寄存器R?

的值加入累加器A中

…

…

…

…

（2）该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：

设计思想

该模型机的微命令是以直接表示法进行编码的，其特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令。

这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。

缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。

微指令控制信号功能

操作控制信号

控制信号的说明

XRD

外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。

EMWR

程序存储器EM写信号。

EMRD

程序存储器EM读信号。

PCOE

将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。

EMEN

将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。

IREN

将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器μPC。

EINT

中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。

ELP

PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。

MAREN

将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。

MAROE

将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。

OUTEN

将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。

STEN

将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。

RRD

读寄存器组R0~R3，寄存器R?

的选择由指令的最低两位决定。

RWR

写寄存器组R0~R3，寄存器R?

的选择由指令的最低两位决定。

CN

决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。

FEN

将标志位存入ALU内部的标志寄存器。

X2

X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。

X1

X0

WEN

将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。

AEN

将数据总线DBUS的值打入累加器A中。

S2

S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。

S1

S0

COP2000中有7个寄存器可以向数据总线输出数据,但在某一特定时刻只能有一个寄存器输出数据.由X2,X1,X0决定那一个寄存器输出数据。

X2X1X0

输出寄存器

000

IN_OE外部输入门

001

IA_OE中断向量

010

ST_OE堆栈寄存器

011

PC_OEPC寄存器

100

D_OE直通门

101

R_OE右移门

110

L_OE左移门

111

没有输出

COP2000中的运算器由一片EPLD实现.有8种运算,通过S2,S1,S0来选择。

运算数据由寄存器A及寄存器W给出,运算结果输出到直通门D。

S2S1S0

功能

000

A+W加

001

A-W减

010

A|W或

011

A&W与

100

A+W+C带进位加

101

A-W-C带进位减

110

~AA取反

111

A输出A

微指令格式

助记符

状态

微地址

微程序

数据输出

数据打入

地址输出

运算器

移位控制

PC

PC

_FATCH_

T0

00

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

01

FFFFFF

A输出

+1

02

FFFFFF

A输出

+1

03

FFFFFF

A输出

+1

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

2。

计算机中实现乘法和除法的原理

（1）无符号乘法

①实例演示（即，列4位乘法具体例子演算的算式）：

1000被乘数08

×0101乘数05

0000中间结果（R0）初始值设为0

＋1000乘数0101最低位为1，R0=R0+1000，

被乘数左移

，乘数右移一位为0010。

1000中间结果（R0=8）

＋0000乘数最低位为0，加0，R0不变

被乘数左移一

位，乘数右移一位为0001

01000中间结果（R0=8）

＋1000乘数最低位为1，R0=R0+100000，

被乘数左移一

位，乘数右移一位为0000

101000中间结果R0=40

＋0000乘数最低位为0，加0，R0不变

被乘数左移

一位，乘数右移一位0000。

（0）0101000结果为00101000

即：

1000×0101=00101000（28十进制是40）

②硬件原理框图：

③算法流程图：

（2）无符号除法

①实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）：

01010

100001010111

-1000

11010差为负,做加法,商为0

+1000

000101差为正,做减法,商为1

-1000

1111011

+1000

0000111

-1000

1111111

+1000

--------------------------

0111

即：

01010111/1000=00001010…0111（87/8=10…7）

②硬件原理框图：

③算法流程图：

3．对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件

（初步分配，设计完成后再将准确的使用情况填写在此处）

（1）乘法硬件分配情况表

硬件名称

实现算法功能描述

寄存器R0

计算时用来存放中间结果和最后的积。

寄存器R1

①初始化时，用来存放被乘数；

②在程序执行的过程中，用来存放向左移位后的被乘数。

寄存器R2

①初始化时，用来存放乘数；

②在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的乘数。

累加器A

传递中间数据。

寄存器W

传递中间数据。

左移门L

实现左移操作。

直通门D

用来控制ALU的执行结果是否输出到数据总线。

右移门R

实现右移操作。

程序计数器PC

①控制程序按顺序正常执行；

②当执行转移指令时，从数据线接收要跳转的地址，使程序能够按需要自动执行。

③当要从EM中读取数据时，由PC提供地址。

存储器EM

存储指令和数据。

微程序计数器μPC

向微程序存储器μM提供相应微指令的地址。

微程序存储器μM

存储相应指令的微指令。

（2）除法硬件分配情况表

硬件名称

实现算法功能描述

寄存器R0

在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。

寄存器R1

初始化时，用来存放被除数。

寄存器R2

初始化时，用来存放除数，和被右移的除数。

寄存器R3

当作计数器使用，用来控制程序是否结束。

累加器A

传递中间运行数据。

寄存器W

传递中间运行数据。

左移门L

实现左移操作。

直通门D

用来控制ALU的执行结果是否输出到数据总线。

右移门R

实现右移操纵。

程序计数器PC

①控制程序按顺序正常执行；

②当执行转移指令时，从数据线接收要跳转的地址，使程序能够按需要自动执行。

③当要从EM中读取数据时，由PC提供地址。

存储器EM

存储指令和数据。

微程序计数器μPC

向微程序存储器μM提供相应微指令的地址。

微程序存储器μM

存储相应指令的微指令。

4．在COP2000集成开发环境下设计全新的指令/微指令系统

（1）新的指令集（乘法和除法）

助记符

机器码1

机器码2

指令说明

_FATCH_

000000xx

00-03

实验机占用，不可修改。

复位后，所有寄存器清0首先执行_FATCH_指令取指。

MOVER?

#II

000001xx

04-07

II

将立即数II送入寄存器R中。

MOVEA,R?

000010xx

08-0B

将寄存器R中的数据送入累加器A中。

MOVER?

A

000011xx

0C-0F

将A累加器中的数据送入寄存器R中。

MOVEA,#II

000100xx

10-13

II

将立即数II送入累加器A中。

JMPZMM

000101xx

14-17

MM

零标志跳转指令。

ORR?

#II

000110xx

18-1B

II

逻辑或指令，影响标志位。

ANDR?

#II

000111xx

1C-1F

II

逻辑与指令，影响标志位。

SHLR?

001000xx

20-23

将寄存器R中的数据逻辑左移一位。

SHRR?

001001xx

24-27

将寄存器R中的数据逻辑右移一位。

ADDR?

A

001010xx

28-2B

将A累加器中的数据与寄存器R中数据带进位相加，结果返回R中，影响标志位。

FINISH

001011xx

2C-2F

程序结束。

JMPCMM

001100xx

30-33

MM

进位判断跳转语句。

SUBA,R?

001101xx

34-37

带进位减法语句，结果保存在累加器A中

GOTOMM

001110xx

38-3B

无条件跳转指令。

ADD2R?

A

001111xx

3C-3F

不带进位加法指令，结果保存在R中。

（2）新的微指令集（乘法和除法）

助记符

状态

微地址

微程序

数据输出

数据打入

地址输出

运算器

移位控制

PC

PC

_FATCH_

TO

00

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

01

FFFFFF

A输出

+1

02

FFFFFF

A输出

+1

03

FFFFFF

A输出

+1

MOVER?

#II

T1

04

C7FBFF

存储器值EM

寄存器R？

PC输出

A输出

+1

+1

T0

05

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

06

FFFFFF

A输出

+1

07

FFFFFF

A输出

+1

MOVEA,R?

T1

08

FFF7F7

寄存器值R？

寄存器A

A输出

+1

T0

09

CBFFFF

A输出

写入

+1

0A

FFFFFF

A输出

+

0B

FFFFFF

A输出

+1

MOVER?

A

T1

0C

FFFB9F

ALU直通

寄存器R？

A输出

+1

T0

0D

CBFFFF

指令寄存器IR

A输出

写入

+1

0E

FFFFFF

A输出

+1

0F

FFFFFF

A输出

+1

MOVEA,#II

T1

10

C7FFF7

寄存器值EM

寄存器A

PC输出

A输出

+1

+1

T0

11

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

12

FFFFFF

A输出

+1

13

FFFFFF

A输出

+1

JMPZMM

T1

14

C6FFFF

存储器值EM

寄存器PC

PC输出

A输出

+1

写入

T0

15

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

16

FFFFFF

A输出

+1

17

FFFFFF

A输入

+1

ORR?

#II

T3

18

C7FFEF

存储器值EM

寄存器W

PC输出

A输出

+1

+1

T2

19

FFF7F7

R？

寄存器A

A输出

+1

T1

1A

FFFE92

ALU

A，标志位CZ

或运算

+1

T0

1B

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

ANDR?

#II

T3

1C

C7FFEF

存储器值EM

寄存器W

PC输出

A输出

+1

+1

T2

1D

FFF7F7

寄存器值R？

寄存器A

A输出

+1

T1

1E

FFFE93

ALU直通

寄存器A，标志位C、Z

与运算

+1

T0

1F

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

SHL

R?

T2

20

FFF7F7

寄存器值R？

寄存器A

A输出

+1

T1

21

FFF8DF

ALU左移

寄存器R？

，标志位C、Z

A输出

左移

+1

T0

22

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

23

FFFFFF

A输出

+1

SHR

R?

T2

24

FFF7F7

寄存器值R？

寄存器A

A输出

+1

T1

25

FFF8BF

ALU右移

寄存器R？

，标志位C、Z

A输出

右移

+1

T0

26

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

27

FFFFFF

A输出

+1

ADDR?

A

T3

28

FFF7EF

寄存器值R？

寄存器w

A输出

+1

T2

29

FFFE94

ALU直通

寄存器A，标志位C、Z

带进位加法

+1

T1

2A

FFFB9F

ALU直通

寄存器R？

A输出

+1

写入

T0

2B

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

FINISH

T0

2C

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

2D

FFFFFF

A输出

+1

2E

FFFFFF

A输出

+1

2F

FFFFFF

A输出

+1

JMPCMM

T1

30

C6FFFF

寄存器值EM

寄存器PC

PC输出

A输出

+1

写入

T0

31

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

32

FFFFFF

A输出

+1

33

FFFFFF

A输出

+1

SUBA,R?

T2

34

FFF7EF

寄存器值R？

寄存器w

A输出

+1

T1

35

FFFE95

ALU直通

寄存器A，标志位C、Z

带进位减法

+1

T0

36

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

37

FFFFFF

A输出

+1

GOTOMM

T1

38

C6FFFF

存储器值EM

寄存器PC

PC输出

A输出

+1

写入

T0

39

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

3A

FFFFFF

A输出

+1

3B

FFFFFF

A输出

+1

ADD2R?

A

T3

3C

FFF7EF

寄存器值R？

寄存器w

A输出

+1

T2

3D

FFFF90

ALU直通

寄存器A

加运算

+1

T1

3E

FFFB9F

ALU直通

寄存器R？

A输出

+1

T0

3F

CBFFFF

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

5．用设计完成的新指令集编写实现无符号二进制乘法、除法功能的汇编语言程序

（1）乘法

4位乘法的算法流程图与汇编语言程序清单：

MOVER1,#08H;被乘数

MOVER2,#05H;乘数

MOVER0,#00H;中间结果

BBB:

ORR2,#00H;

JMPZCCC;

ANDR2,#01H;

JMPZDDD;

MOVEA,R1;

ADDR0,A;

DDD:

SHLR1;

SHRR2;

GOTOBBB;

CCC:

FINISH;

（2）除法

4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：

MOVER1,#57H;被除数87

MOVER2,#80H;除数5

MOVER3,#1FH;计数次数

MOVER0,#00H;商

BBB:

MOVEA,R1;

SUBA,R2;带进位减法

MOVER1,A;

JMPCCCC;判断是否有借位

SHLR0;商左移一位

MOVEA,#01H;

ADD2R0,A;

SHRR2;除数右移一位

SHRR3;

ORR3,#00H;

JMPZDDD;

GOTOBBB;

CCC:

MOVEA,R2;

ADD2R1,A;

MOVER1,A;

SHLR0;

SHRYIR2;

SHRYIR3;

ORR3,#00H;

JMPZDDD;

GOTOBBB;

DDD:

FINISH;

6．上述程序的运行情况（跟踪结果）

（1）乘法运行的过程

汇编指令

程序地址

机器码

指令说明

微程序

PC

PC

运行时寄存器或存储器的值

_FATCH_

00

00

实验机占用，不可修改。

复位后，所有寄存器清0，首先执行_FATCH_指令取指。

CBFFFF

01

04

EM：

05

MOVER1,#08H

00

0508

将立即数08送入寄存器R1

C7FBFF

CBFFFF

02

03

05

04

EM:

08R1:

08

EM:

06R1:

08

MOVER2,#05H

02

0605

将立即数05送入寄存器R2。

C7FBFF

CBFFFF

04

05

05

04

EM:

05R2:

05

EM:

04R2:

05

MOVER0,#00H

04

0400

将立即数00送入寄存器R0。

C7FBFF

CBFFFF

06

07

05

18

EM:

00R0:

00

EM:

1AR0:

00

ORR2,#00H

06

1A00

将寄存器R2中值与立即数00逻辑或运算，影响标志位。

C7FFEF

FFF7F7

FFFE92

CBFFFF

08

08

08

09

19

1A

1B