精品计算机组成原理毕业论文报告40江苏大学适用于软件工程41.docx
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精品计算机组成原理毕业论文报告40江苏大学适用于软件工程41
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江苏大学
《计算机组成原理》课程设计报告
专业名称：
软件工程
班级学号：
软件1001
学生姓名：
张建彬
指导教师：
杨旭东
设计时间：
2012年6月11日——2012年6月20日
第一天取操作数微程序的设计和调试
1、设计目标
设计并调试取操作数的微程序
二、取操作数微流程
三、测试程序、数据及运行结果
1、
测试内容：
立即寻址，直接寻址
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
077A56780010
MOV#5678H，0010H
运行结果及分析：
从微地址可以看出，先是取指令001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->-01B>01F->024->025->026->007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007->044->047->072->000，将结果mov到内存里。
2、
测试内容：
立即寻址，寄存器
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
07615678
MOV#5678H，R1
运行结果及分析：
从微地址可以看出，先是取指令001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->018->007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007->044->046->000，将结果mov到寄存器里。
由GRS可以看出最终结果由0000变成了5678。
4、设计中遇到的问题及解决办法
才开始的时候，对软件的应用不是很熟悉，遇到一些麻烦，在同学的帮助下，解决了软件应用问题。
第二天运算指令的微程序设计与调试
1、设计目标
设计并调试运算指令的微程序。
二、运算指令微程序入口地址
指令助记符
指令编码
入口地址（H）
F
E
D
C
B
A
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
MOVsrc,dst
0
0
0
0
0
1
源地址码
目的地址码
044
ADDsrc,dst
0
0
0
0
1
0
源地址码
目的地址码
048
ADDCsrc,dst
0
0
0
0
1
1
源地址码
目的地址码
04C
SUBsrc,dst
0
0
0
1
0
0
源地址码
目的地址码
050
SUBBsrc,dst
0
0
0
1
0
1
源地址码
目的地址码
054
CMPsrc,dst
0
0
0
1
1
0
源地址码
目的地址码
058
ANDsrc,dst
0
0
0
1
1
1
源地址码
目的地址码
05C
ORsrc,dst
0
0
1
0
0
0
源地址码
目的地址码
060
XORsrc,dst
0
0
1
0
0
1
源地址码
目的地址码
064
TESTsrc,dst
0
0
1
0
1
0
源地址码
目的地址码
068
INCdst
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
目的地址码
0A4
DECdst
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
目的地址码
0A8
NOTdst
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
目的地址码
0AC
三、运算类指令微程序
微地址（H）
微指令（H）
微命令
BM
NA
注释
007
OP
4
XXX
指令执行入口
048
TRoe,ADD,Sce,PSWce
0
06F
ADD
04C
98B0006F
TRoe,ADDC,SV,PSWce
0
06F
ADDC
050
98F0006F
TRoe,SUB,SV,PSWce
0
06F
SUB
06F
00000E70
7
070
存结果
070
Soe,GRSce
0
000
ALU运算，结果送寄存器
071
Soe,DRce
0
072
结果送存储器
072
DRoe’,ARoe’,WR
0
000
四、测试程序、数据及运行结果
1、
测试内容：
ADD运算
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
0002
07615678
0B61F000
MOV#5678H，R1
ADD#F000,R1
运行结果及分析：
从微地址可以看出，第一阶段先是取第一条指令（MOV#5678H，R1）001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->018->007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007->044->046->000，将结果mov到寄存器里。
在GRS可以看出由0000变成了5678。
第二阶段先是取第二条指令（ADD#F000,R1）001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->018->007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007->048->04F->070->000，是ADD运算，结果存放在寄存器GRS中，可以看出结果为4678，并且产生进位，SZOC=0001，正确。
五、设计中遇到的问题及解决办法
指令的入口地址开始时没看懂，在同学的点拨下明白了。
再是写微程序阶段，完成微程序的输入后，输入时由于不太仔细有一些错误，经过调试发现并改正了错误。
经过对每条运算的测试，一些结果不对，在自己的一步一步的查找中，通过和同学的微程序的对照，一一弄懂并改正了。
第三天CPU硬件的初级设计与验证
一、设计目标
在运算器实验的基础上对硬件进行扩充，建立初级CPU的数据通路，构造一个只支持运算指令的初级CPU。
二、硬件设计
1、PC模块设计
（加上适当注释）
modulePC（d,q,n_reset,clk,ce,PCinc）;
input[15:
0]d;
inputn_reset,clk,ce;
inputPCinc;
output[15:
0]q;
reg[15:
0]data;
always@（posedgeclkornegedgen_reset）
begin
if（!
n_reset）
data=0;
elseif（ce）
data=d;
elseif（PCinc）
data=data+1;
end
assignq=data;
endmodule
2、IR模块设计
moduleIR#（
parameterDATAWIDTH=16）
（inputwire[DATAWIDTH-1:
0]d,
inputwireclk,
inputwirece,
inputn_reset,
outputreg[DATAWIDTH-1:
0]q）;
always@（posedgeclkornegedgen_reset）
begin
if（!
n_reset）
q=0;
elseif（ce）
q=d;
end
DR:
moduleDR#（
parameterDATAWIDTH=16）
（inputwire[DATAWIDTH-1:
0]data_IB,
inputwire[DATAWIDTH-1:
0]data_DB,
inputwireclk,
inputwireDRce_IB,
inputwireDRce_DB,
inputn_reset,
outputreg[DATAWIDTH-1:
0]q）;
always@（posedgeclkornegedgen_reset）
begin
if（!
n_reset）
q=0;
elseif（DRce_IB）
q=data_IB;
elseif（DRce_DB）
q=data_DB;
end
endmodule
3、顶层模块设计（自己增加的设计部分）
TR
TR寄存器的实例化
R#（DATAWIDTH）TR（.q（TR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（TRce）,.n_reset（n_reset））;
buffer#（DATAWIDTH）reg_buffer（.q（IB）,.d（TR_out）,.oe（TRoe））;
AR
AR寄存器的实例化
R#（DATAWIDTH）AR（.q（AR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（ARce）,.n_reset（n_reset））;
buffer#（ADDRWIDTH）AR_AB（.q（AB）,.d（AR_out）,.oe（ARoe_AB））;
buffer#（ADDRWIDTH）AR_IB（.q（IB）,.d（AR_out）,.oe（ARoe_IB））;
IR
IR寄存器的实例化
R#（DATAWIDTH）IR（.q（IR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（IRce）,.n_reset（n_reset））;
PC
PCPC（.d（IB）,.q（PC_out）,.n_reset（n_reset）,.clk（clock）,.ce（PCce）,.PCinc（PCinc））;
buffer#（DATAWIDTH）PC_buffer（.q（IB）,.d（PC_out）,.oe（PCoe））;
DR
DR#（DATAWIDTH）DR（.q（DR_out）,.data_IB（IB）,.data_DB（DB）,.clk（clock）,.DRce_IB（DRce_IB）,.DRce_DB（DRce_DB）,.n_reset（n_reset））;
buffer#（DATAWIDTH）DR_DB（.q（DB）,.d（DR_out）,.oe（DRoe_DB））;
buffer#（DATAWIDTH）DR_IB（.q（IB）,.d（DR_out）,.oe（DRoe_IB））;
三、验证
1、
测试内容：
ADD运算
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
0002
07615678
0B61F000
MOV#5678H，R1
ADD#F000,R1
结果和第二天的一样，说明硬件扩充正确。
四、设计中遇到的问题及解决办法
在写TR,AR,IR的实例化代码时，没注意是用寄存器模块R实例化得到的，经过报错和仔细看书后，发现了问题，成功改正过来了。
完成程序运行出了问题，经过查找发现是DR模块出了问题，if（!
n_reset）q=0;elseif（DRce_IB）q=data_IB;elseif（DRce_DB）q=data_DB;这一句被我写成了if（!
n_reset）q=0;elseif（DRce_IB）q=data_IB;elseq=data_DB。
第四天为CPU扩充转移指令
一、设计要求
在初级CPU的基础上进行功能扩充，使其支持转移类指令
二、硬件uAG模块设计
（自己修改的设计部分，加上适当注释）
3'd3:
uAGout={NA[8:
1],BM3_uAR0};3,根据条件转移指令操作码PSW的ZF,OF,SF,CF状态标志决定微地址
第四天
always@（SZOC,IR）begin
case（IR[7:
6]）条件转移类指令
2'b00:
Flag_MUX<=SZOC[0];2'b01:
Flag_MUX<=SZOC[1];
2'b10:
Flag_MUX<=SZOC[2];
2'b11:
Flag_MUX<=SZOC[3];
default:
Flag_MUX<=1'b0;
endcase
end
assignBM3_uAR0=Flag_MUX^IR[5];
三、转移指令微程序的设计
四、测试程序、数据及运行结果
1、
测试内容：
JC命令
机器码：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
0002
0004
07615678
0B61F000
011A0010
MOV#5678H，R1
ADD#F000,R1
JC0010H
运行数据：
运行结果及分析：
从微地址可以看出，第一阶段先是取第一条指令（MOV#5678H，R1）001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->018->007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007->044->046->000，将结果mov到寄存器里。
在GRS可以看出由0000变成了5678。
第二阶段先是取第二条指令（ADD#F000,R1）001->002->003->004,再是取源操作数，004->00B->00F->016->006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006->018->007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007->048->04F->070->000，是ADD运算，结果存放在寄存器GRS中，可以看出结果为4678，并且产生进位，SZOC=0001，正确。
第三阶段，进入JC指令，因为C=1，有进位，所以条件满足，执行的是075->077->000，正确。
五、设计中遇到的问题及解决办法
程序中误将赋值符号<=写成了=,被同学发现，及时修改，并成功得到解决。
第五天为CPU扩充移位指令
一、设计目标
在前面的CPU的基础上扩充硬件，使其支持移位指令。
二、硬件设计
1、SHIFTER模块设计
（加上适当注释）
wiredata_lsb;
wiredata_data_lsb=1'b0;
assigndata_
case（{SL,SR}）
3'b01:
q=d0;
3'b10:
q=d15;
default:
q=Cout;
endcase
end
endmodule
3、IR_DECODE模块设计（自己增加修改的设计部分）
2'b00:
BM4_uA<={5'b01001,IR[7:
5],1'b0};
4、顶层模块设计（增加自己修改的设计部分）
wire[DATAWIDTH-1:
0]SP_out,GRS_out,TR_out,A_out,ALU_out,MUX_out,PSW_out,IR_out,shifter_out,MUX2_out,PC_out,CF_out;
CFCF（.d15（ALU_out[15]）,.d0（ALU_out[0]）,.Cout（Cout）,.q（CF_out）,.SL（SL）,.SR（SR））;
R#（DATAWIDTH）PSW（.q（PSW_out）,.clk（clock）,.n_reset（n_reset）,.ce（PSWce）,.d（{12'b0,SF,ZF,OF,Cout}））;
三、移位指令微程序的设计
微地址（H）
微指令（H）
微指令字段（H）
微命令
F0
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
092
0
6
0
1
0
0
0
0
0
06F
SR,PSWce
094
0
6
0
2
0
0
0
0
0
06F
SL,PSWce
096
0
6
0
1
0
0
0
0
0
06F
SR,PSWce
098
0
6
0
2
0
0
0
0
0
06F
SL,PSWce
09A
0
6
0
1
0
0
0
0
0
06F
SR,PSWce
09C
0
6
0
1
0
0
0
0
0
06F
SL,PSWce
09E
0
6
0
1
0
0
0
0
0
06F
SR,PSWce
四、测试程序、数据及运行结果
1、
测试内容：
SAR指令
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
003A0010
SAR0010H
运行结果及分析：
从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001->002->003再是取目的操作数，006->01B->01F->024->025->026->007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007->092->06F->070，执行SAR指令。
由下一条指令可以看出结果变成了03B0，为右移后的结果，正确。
四、设计中遇到的问题及解决办法
在实例化两个四选一多路器时，给data_lsb,data__reset）;
parameterDATAWIDTH=16;
output[DATAWIDTH-1:
0]q;
input[DATAWIDTH-1:
0]d;
inputclk,ce,n_reset;
reg[DATAWIDTH-1:
0]q;
always@（posedgeclkornegedgen_reset）
begin
if（!
n_reset）
q=16'h003F;当复位信号有效时，SP的输出为03F
elseif（ce）当使能信号有效时，输出就是输入的内容
q=d;
end
endmodule
2、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）
SP#（DATAWIDTH）SP（.d（IB）,.q（SP_out）,.clk（clock）,.ce（SPce）,.n_reset（n_reset））;
buffer#（DATAWIDTH）SP_IB（.q（IB）,.d（SP_out）,.oe（SPoe））;
三、PUSH、POP、CALL、RET指令微程序的设计
PUSH（堆栈指令）
微地址（H）
微指令（H）
微命令
BM
NA
注释
0C0
F43000C1
SPoe,Ace,SV
0
0C1
取sp
0C1
62B300C2
Soe,DEC,SV,DRce
0
0C2
Sp-1
0C2
7C0800C3
Soe,SPce,ARce
0
0C3
Sp-1后的地址
0C3
DRoe’,ARoe’,WR
0
000
将内容写入sp-1所指向的内存中
POP（压栈指令）
微地址（H）
微指令（H）
微命令
BM
NA
注释
0C8
B00000C9
ARoe,TRce
0
0C9
将目标地址先存放在暂存器中
0C9
F40800CA
SPoe,ARce,Ace
0
0CA
取sp
0CA
027610CB
RD,ARoe’,DRce’,INC,SV
0
0CB
读出sp所指向的内容，sp-1
0CB
800800CC
TRoe,ARce
0
0CC
取目标地址
0CC
7C052000
ARoe’,DRoe’,WR,Soe,SPce
0
000
将sp中的内容写入目标地址
CALL（子程序调用指令）
微地址（H）
微指令（H）
微命令
BM
NA
注释
0D0
F40000D1
SPoe,Ace
0
0D1
栈顶单元减一，并保存原PC内容
0D1
B2B000D2
DEC,SV,ARoe,TRce
0
0D2
0D2
7C0800D3
Soe,ARce,SPce
0
0D3
将sp-1送入SP和AR中
0D3
200300D4
PCoe,DRce
0
0D4
将PC内容放入DR
0D4
ARoe’,DRoe’,WR,TRoe,PCce
0
000
写入栈顶单元
RET（返回指令）
微地址（H）
微指令（H）
微命令
BM
NA
注释
03C
F408003D
SPoe,ARce,Ace
0
03D
03D
RD,ARoe’,DRce’,INC,SV
0
03F
03F
DRoe,PCce
0
040
040
7C000000
Soe,SPce
0
000
四、测试程序、数据及运行结果
1、
测试内容：
PUSH（堆栈指令）
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0000
031A0004
PUSH0004H
运行结果及分析：
从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001->002->003再是取目的操作数，006->01B->01F->024->025->026->007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，0C0->0C1->0C2->0C3->000，执行PUSH指令。
DR中为0004H里的内容5EE2。
同时可以看出SP始终为3F。
PUSH指令正确。
2、
测试内容：
POP（压栈指令）
运行数据：
内存地址（H）
机器码（H）
汇编指令
0002
033A0008H
POP0004H
运行结果及分析：
从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001->002->003再是取目的操作数，006->01B->01F->024->025->026->007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，0C8->0C9->0CA->0CB->0CC->000，执行POP指令。
SP减一变为3E。
在内存中可以看出，0008H中的内容变成了0004H中的内容5EE2。
POP指令执行正确。
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