东北大学计组课设.docx
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东北大学计组课设
计算机组成原理课程设计报告
班级：
计算机班姓名：
学号：
完成时间：
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总体概述
COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：
运算器ALU累加器A、工作寄存器W左移门L、直通门D右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC地址寄存器MAR堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT程序存储器EM指令寄存器IR、微程序计数器uPC微程序存储器uM,以及中断控制电路、跳转控制电路。
其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都
是用离散的数字电路组成。
微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。
模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。
相比
而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。
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。
②模型机的寻址方式
表1模型机的寻址方式
模型机的寻址方式
寻址方式说明
指令举例
指令说明
累加器寻址
操作数为累加器A
CPLA
将累加器A的值取反
隐含寻址累加器A
OUT
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
ADDA,R0
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
参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在
寄存器R0-R3中
MOVA,@R1
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
参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。
ANDA,40H
将存储器EM中40H单兀的数据与累加器A的值作逻辑与运算，结果存入累加器A
立即数寻址
参与运算的数据为指令的操作数。
SUBA,#10H
从累加器A中减去立即数10H,结果存入累加器A
（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）
①总体概述
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。
②微指令格式的说明
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。
微程序控制器由微程序给出24位控制信号，而微程序的地址又是由指令码提供的，
也就是说24位控制信号是由指令码确定的。
该模型机的微指令的长度为24位，其中微指
令中只含有微命令字段，没有微地址字段。
其中微命令字段采用直接按位的表示法，哪位
为0,表示选中该微操作，而微程序的地址则由指令码指定。
这24位操作控制信号的功能
如表2所示：
（按控制信号从左到右的顺序依次说明）
表2微指令控制信号的功能
操作控制信号
控制信号的说明
XRD
夕卜部设备读信号，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与信号。
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和微指令计数器疔C。
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
决疋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Db
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
2.计算机中实现乘法和除法的原理
（1）无符号乘法
在模型机上实现无符号数乘法运算时，采用“加法一移位”的重复运算方法。
①硬件原理框图:
被乘数乘数
②算法流程图:
（2）无符号除法
在模型机上实现无符号数除法运算时，采用“加减交替算法”的运算方法。
3算法流程图
②硬件原理框图:
初始化：
除数左移
除数右移
3.对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件
（1）无符号乘法
符号乘法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如下表所示:
表3无符号乘法的硬件分配情况
硬件名称
实现算法功能描述
寄存器R0
计算时用来存放部分积和最后的积
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
执行ADDA,R?
（加法）、SHLR?
（左移一位）、SHRR?
（右移一位）等命令时所必须使用的寄存器。
寄存器W
执行ADDA,R?
（加法）、TESTR?
#ll（测试R2的末
位）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。
左移门L
用来实现相应数据左移一位的运算，并能够控制该运算后的结果是否输出到数据总线。
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
用来实现相应数据右移一位的运算，并能够控制该运算后的结果是否输出到数据总线。
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。
微程序计数器尸C
向微程序存储器凶提供相应微指令的地址。
微程序存储器凶
存储相应指令的微指令。
输出寄存器OUT
可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（本实验未用）。
堆栈ST
当存储于累加器A的值将要受到破坏时，将其数据保存在堆栈ST中，使程序能够正常地执行。
（2）无符号除法
无符号除法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如下表所示:
表4无符号除法的硬件分配情况
硬件名称
实现算法功能描述
寄存器R0
初始化时，用来存放被除数和计算后的余数。
寄存器R1
1初始化时，用来存放除数；
2在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的除数。
寄存器R2
在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。
寄存器R3
当作计数器使用，用来控制程序是否结束（初始值5）。
累加器A
1计算时用来存放中间结果；
2执行ADDA,R?
（加法）、SUBA,R?
（减法）等命令时所必须使用的寄存器。
寄存器W
执行SUBA,R?
（减法）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。
左移门L
用来实现相应数据左移一位的运算，并能够控制该运算后的结果是否输出到数据总线。
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
用来实现相应数据右移一位的运算，并能够控制该运算后的结果是否输出到数据总线。
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。
微程序计数器尸C
向微程序存储器凶提供相应微指令的地址。
微程序存储器凶
存储相应指令的微指令。
输出寄存器OUT
可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（本实验未用）。
堆栈ST
当存储于累加器A的值将要受到破坏时，将其数据保存在堆栈ST中，使程序能够正常地执行。
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（乘除法指令集）
助记符
机器码1
机器码2
指令说明
FATCH
OOOOOOxx
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。
ADDR?
A
000001xx
04-07
将累加器A中的数加入到寄存器R?
中，并影响标志位。
ADD
R?
#ll
000010xx
08-0B
II
将立即数II加入到寄存器R?
中，并影响标志位。
SUBR?
A
000011xx
0C-0F
从寄存器R冲减去累加器A中的数，并影响标志位。
SUB
R?
#ll
000100xx
10-13
II
从寄存器R?
中减去立即数II，并影响标志位。
TEST
R?
#ll
000101xx
14-17
II
寄存器R?
“与”立即数II，只改变标志位，并不改变R冲的数值。
PUSHA
000110xx
18-1B
将累加器A中的数据压入堆栈寄存器ST。
POPA
000111xx
1C-1F
将堆栈寄存器ST中的数据弹出到累加器A中。
MO\A,R?
001000xx
20-23
将寄存器R冲的数放入累加器A中。
MOV
R?
#ll
001001xx
24-27
II
将立即数II存放到寄存器R?
中。
SHLR?
001010xx
28-2B
寄存器R?
中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。
SHRR?
001011xx
2C-2F
寄存器R?
中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。
JCMM
001100xx
30-33
MM
若进位标志位置1,跳转到MM地址。
JZMM
001101xx
34-37
MM
若零标志位置1,跳转到M地址。
JMPMM
001110xx
38-3B
跳转到MM地址。
OVER
001111xx
3C-3F
程序结束。
（2）新的微指令集（乘除法微指令集）
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
ADDR?
A
T2
04
FFF7EF
寄存器值
R?
寄存器W
A输出
+1
T1
05
FFFA98
ALU直通
寄存器R?
标志位C,Z
加运算
+1
T0
06
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
07
FFFFFF
A输出
+1
ADD
R?
#ll
T3
08
FFF7F7
寄存器值
R？
寄存器A
A输出
+1
T2
09
C7FFEF
存贮器值
EM
寄存器W
PC输出
A输出
+1
+1
T1
0A
FFFA98
ALU直通
寄存器R?
标志位C,Z
加运算
+1
T0
0B
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
SUBR?
A
T3
0C
FFFF8F
ALU直通
寄存器W
A输出
+1
T2
0D
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
T1
0E
FFFA99
ALU直通
寄存器R?
标志位C,Z
减运算
+1
T0
0F
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
SUB
R?
#ll
T3
10
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
T2
11
C7FFEF
存贮器值
EM
寄存器W
PC输出
A输出
+1
+1
T1
12
FFFA99
ALU直通
寄存器R?
标志位C,Z
减运算
+1
T0
13
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
TEST
R?
#ll
T3
14
C7FFFF
存贮器值
EM
寄存器W
PC输出
A输出
+1
+1
T2
15
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
T1
16
FFFE93
ALU直通
寄存器R?
标志位C,Z
与运算
+1
TO
17
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
PUSHA
T1
18
FFEF9F
ALU直通
堆栈寄存
器ST
A输出
+1
TO
19
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
1A
FFFFFF
A输出
+1
1B
FFFFFF
A输出
+1
POPA
T1
1C
FFFF57
堆栈寄存
器ST
寄存器A
A输出
+1
TO
1D
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
1E
FFFFFF
A输出
+1
1F
FFFFFF
A输出
+1
MOVA,R?
T1
20
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
TO
21
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
22
FFFFFF
A输出
23
FFFFFF
A输出
MOV
R?
#ll
T1
24
C7FBFF
存贮器值
EM
寄存器R?
PC输出
A输出
+1
+1
TO
25
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
26
FFFFFF
A输出
+1
27
FFFFFF
A输出
+1
SHLR?
T2
28
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
T1
29
FFF9DF
ALU左移
寄存器R?
A输出
左移
+1
TO
2A
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
2B
FFFFFF
A输出
+1
SHRR?
T2
2C
FFF7F7
寄存器值
R?
寄存器A
A输出
+1
T1
2D
FFF9BF
ALU右移
寄存器R?
A输出
右移
+1
TO
2E
CBFFFF
指令寄存器IR
PC输出
A输出
写入
+1
2F
FFFFFF
A输出
+1
JCMM
T1
30
C6FFFF
存贮器值
寄存器PC
PC输出
A输出
+1
写入
EM
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
JZMM
T1
34
C6FFFF
存贮器值
EM
寄存器PC
PC输出
A输出
+1
写入
T0
35
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
36
FFFFFF
A输出
+1
37
FFFFFF
A输出
+1
JMPMM
T1
38
C6FFFF
存贮器值
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
OVER
T0
3C
CBFFFF
指令寄存
器IR
PC输出
A输出
写入
+1
3D
FFFFFF
A输出
+1
3E
FFFFFF
A输出
+1
3F
FFFFFF
A输出
+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:
MOVR0,#00H
MOVR1,#09H
MOVR2,#06H
LOOP:
TESTR2,#0FH
JZLAST
TESTR2,#01H
JZNEXT
MOVA,R1
ADDR0,A
NEXT:
SHLR1
SHRR2
JMPLOOP
LAST:
OVER
;初始化部分积
;初始化被乘数
;初始化乘数
;测试乘数是否为0
;是0跳转，程序结束
;测试乘数末位时候为0
;是0跳转，不用加被乘数;被乘数送累加器
;被乘数加到部分积
;被乘数左移一位
;乘数右移一位
;跳转到下一次测试
;程序结束
乘法的算法流程图
（2）除法
4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单:
MOVRO,#31H
;初始化被除数
MOVR1,#07H
;初始化除数
MOVR2,#00H
MOVR3,#05H
TESTR1,#0FHJZOVERFLOW
MOVA,R1
PUSHA
SHLR1
SHLR1
SHLR1
SHLR1
MOVA,R1
SUBR0,A
JCZERO
;初始化商
;初始化计数器
;测试除数是否为0
;除数是0，转到溢出处理
;除数送累加器
;保存除数
;除数左移四位
;移位后除数送累加器
;被除数减去移位后除数
;有进位跳到ZERO上0处理
JMPOVERFLOW
;首次没借位会得出5位商，溢出处理
ZERO:
SHLR2
;商左移一位
SHRR1
;除数右移一位
SUBR3,#01H
;计数器减1
JZFINISH
；计数器为0，跳转到FINISH
MOVA,R1
;被除数减去移位后除数
ADDR0,A
;被除数加上移位后除数
JCONE
;有借位跳到ONE上1处理
JMPZERO
;没借位跳到ZERO上0处理
ONE:
SHLR2
;商左移一位
ADDR2,#01H
;商加1
SHRR1
;除数右移一位
SUBR3,#01H
;计数器减1
JZFINISH
；计数器为0，跳转到FINISH
MO
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