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计算机组成原理课程设计报告wangweisheng

计算机组成原理课程设计报告

专业名称：

计算机科学与技术

班级学号：

计算机0802

学生姓名：

指导教师：

设计时间：

2010年06月28日——2010年07月01日

2010年07月

第一天取操作数微程序的设计和调试

一、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

格式如下：

1、测试内容：

立即数寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址

立即寻址测试指令（或程序）：

MOV#1234H，R1

机器码：

内存地址（H）

机器码（H）

汇编指令

0000

07611234

MOV#1234H，R1

运行结果及分析：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——016——006——018——007——。

。

。

（后面的MOV指令的EXE微指令是由老师提供的），根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。

在上图中，测试指令微程序最后一条微指令的地址为046，微指令是88000000，所代表的微操作应该是TRoe,GRSce。

执行后CRS=0000，好像出错了。

但是我们看到在下一条微指令时GRS=1234，赵老师在上实验课的时候曾经讲过这个问题，这是因为GRS的装入使能信号GRSce受时钟信号的影响，内容在微指令周期结束时才被保存，所以观察到的数据慢了一步。

直接寻址测试指令（或程序）：

MOV0014H，R1

机器码：

内存地址（H）

机器码（H）

汇编指令

0000

07611234

MOV0014H，R1

运行结果及分析：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——014——015——016——006——018——007——。

。

。

根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。

间接寻址测试指令（或程序）：

MOV（0014），R1

机器码：

内存地址（H）

机器码（H）

汇编指令

0000

07211234

MOV（0014），R1

运行结果及分析：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——012——0013——014——015——016——006——018——007。

。

。

根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。

测试指令（或程序）：

MOVdisp（0014），R1

机器码：

内存地址（H）

机器码（H）

汇编指令

0000

07011234

MOV+disp，R1

运行结果及分析：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——010——011——017——015——016——006——018——007。

。

。

根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。

由于时间关系，今天只验证了5种寻址方式。

后面两种寻址方式的指令和编码如下所示：

寄存器间接寻址MOV#1234H，（R1）指令编码为07691234

寄存器变址寻址MOV#1234H，disp（R1）指令编码为07711234

四、设计中遇到的问题及解决办法

遇到的问题：

1.搞不清楚‘取操作数入口’的微程序是由什么组成。

2.对软件UniDebugger的操作不太熟悉。

3.以为只需要将取源操作数的微程序输入到micro中就行了。

解决的办法：

1：

一时搞不清楚去源操作数的入口的微程序究竟是要填什么，便不和它纠缠，往下看的时候，看到图中的都填满了微命令，便知道了，原来取操作数的入口的微命令是空的（NOP）。

2：

认真地回忆了做实验的时候的上机步骤后，对该软件的基本操作基本熟悉，然后按照课程设计指导书上的要求便能更好地运用该软件。

3：

MOV指令为双操作数指令。

原本以为该指令虽然是双操作数指令，但应该只涉及到取源操作数，至于目的操作数，该指令应该只是将源操作数输送到目的地址中，取不取目的操作数不影响问题的。

但是很快，我就意识到这个认识是错误的了。

因为在我执行该MOV指令的时候，程序竟然运行到0018处。

这个微指令地址应该出现在取目的操作数阶段，但是我却没有将取目的操作数的微指令编码输入micro中，导致程序运行到该行后输出地微指令编码是00000000。

当然运行结果肯定是错误的。

于是我毫不犹豫地将取目的操作数的微指令编码全都输入到micro中，然后再次运行MOV指令，这一次运行结果就正确了。

第二天运算指令的微程序设计与调试

一、设计目标

设计并调试运算指令的微指令

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

（参照指导书图2－6的形式）

ADDC:

04C98B0006FTRoe,ADDC,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

SUB:

05098F0006FTRoe,SUB,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

SUBB:

0549930006FTRoe,SUBB,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

CMP:

05898C0006FTRoe,SUB,PSWce0:

NA->uAR000

AND:

05C9970006FTRoe,AND,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

OR:

06099B0006FTRoe,OR,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

XOR:

0649A30006FTRoe,XOR,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

DEC:

0A81AB0006FTRoe,DEC,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

NOT:

0AC19F0006FTRoe,NOT,SV,PSWce0:

NA->uAR06F

四、测试程序、数据及运行结果

1、

测试内容：

1：

将数据移动到寄存器中；

2：

将存储数据单元的内容加1；

3：

将寄存器中的数据和地址单元里的数据进行比较；

4：

将寄存器做为变址寄存器，将其与1111进行逻辑与运算

运行数据：

07600000MOV#0000H,R1;

077A1101MOV#1101,0010;

023A0011INC（0011）;

1B2A0015CMP（0015）,（R1）;

1F711111AND#1111,DISP（R1）;

运行结果：

对于MOV指令而言，在第一天的课程设计的时候已经得到了验证，结果是正确的，这里就不在重复了。

加一指令INC，为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——006——00B——00F——022——0023——024——025——026——007——0A4——06F——071——072——000。

。

。

根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的，而且，通过ALU运算后，输出结果加1，说明运算是正确的。

对于CMP指令的执行出现了问题，没将图片拷下来。

为了验证指令的正确性，我重新编写了MOV指令，并用了比较简单的寻址方式，以便快速查处问题所在。

之后就是所遇到的问题。

五、设计中遇到的问题及解决办法

对于CMP指令的执行出现了问题，没将出问题的图片拷下来。

但为了验证指令的正确性，我重新编写了MOV指令，并用了比较简单的寻址方式。

1B7AFFFD0008MOV#FFFD，0008H

并对RAM中的0008单元做了设置，将其中的内容改成了FFFD，根据CMP指令的工作原理，比较两个相同的数据的时候（两个数据都是FFFD），输出地PSW的标志位中的ZF应该为1，其他结果应该是0的。

但是运行的结果与想象中的有很大差别。

运行结果如下：

仔细看图片中的数据：

001——002——003——006——00B——00F——016——006——01B——01F——024——025——026——007——058——000指令的运行顺序没出现问题。

但是结果出现了问题。

SZOC为8，说明标志位SF为1，结果竟然是负的。

再看看ALU中的运行结果，竟然不是0000，而是FFFD，由此可知，并不是我的CMP指令出现了错误，而是ALU运算器出现了一点小小的错误（SUB指令的编写出了点问题）。

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）

/*程序计数器PC与R模块一样采用异步复位，当n_reset有效时，PC清0，否则在时钟信号clk的上升沿如果数据装入使能ce有效则d→q，如果自加信号PCinc有效则q+1→q。

PC通过三态门与IB相连。

*/

`timescale1ns/1ps

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）//当n_reset有效时，PC清0

data=0;

elseif（ce）//ce有效则d→q

data=d;

elseif（PCinc）//PCinc有效则q+1→q

data=data+1;

end

assignq=data;

endmodule

2、IR模块设计

`timescale1ns/1ps

/*DR连接内部总线IB和系统总线的DB;DR有两路数据输入data_IB、data_DB，分别来自IB、DB，相应的有两个装入使能信号DRce_IB、DRce_DB，输出端q分别通过两个三态门连到IB、DB。

DR采用异步复位，复位时DR清0，否则在时钟信号的上升沿，当DRce_IB有效时则data_IB→q，当DRce_DB有效时则data_DB→q。

*/

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）//DR采用异步复位，复位时DR清0

q=0;

elseif（DRce_IB）//DRce_IB有效时则data_IB→q

q=data_IB;

elseif（DRce_DB）//DRce_DB有效时则data_DB→q

q=data_DB;

end

endmodule

3、顶层模块设计（自己增加的设计部分）

//TR寄存器的实例化

R#（DATAWIDTH）TR（.q（TR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（TRce）,.n_reset（n_reset））;

//AR寄存器的实例化

R#（DATAWIDTH）AR（.q（AR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（ARce）,.n_reset（n_reset））;

//IR寄存器的实例化

R#（DATAWIDTH）IR（.q（IR_out）,.d（IB）,.clk（clock）,.ce（IRce）,.n_reset（n_reset））;

三、验证

07620014MOV#0000H,R1;

023A0014INC0014H;

1B2A0015CMP（0015）,（R2）;

07620001MOV#0001,R2;

1F721010AND#1010,DISP（R2）;

运行结果：

结果分析：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——016——006——018——007——044——046——000根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的，而且GRS里的数据内容为：

0014，所以执行的结果是正确的。

INC指令的执行的微指令依次是：

001——002——003——006——01B——01F——024——025——026——007——0A4——06F——071——072——000根据前面指令过程微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。

INC指令执行后，ALU中内容是FFFD（原来0014单元内容为FFFC），所以执行结果是正确的。

CMP指令：

为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。

执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——012——013——014——015——016——006——019——025——026——007——058——000根据执行结果看：

ALU中运行结果是0000，而且ＰＳＷ标志位为０１０１。

说明结果为０，且没有借位。

执行结果正确。

MOV+AND指令

ＭＯＶ指令的执行是没问题的。

为了分析ＡＮＤ微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。

执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——016——006——01A——01C——01D——01E——027——025——026——007——05C——06F——071——072——000根据执行结果看：

ALU中运行结果是0000，而且ＰＳＷ标志位为０１０１。

说明结果为０，且没有借位。

执行结果正确。

四、设计中遇到的问题及解决办法

问题：

INC指令

在结果执行过程中

仔细看程序执行的过程可知：

INC指令应该在取完目的操作数之后（026）就转到EXE执行007，但是程序中却是直接返回取指令入口。

这个问题应该出在微指令设计的正确性上，果然，查看micro中的微指令（026）单元，竟然是00000000，问题出现在这里。

但是这个确实很奇怪，在第二天的时候我已经将所有微指令都保存好了，但现在下载的微指令却和第二天的微指令不一样，很可能是软件设计上的缺陷吧。

将正确的微指令输入后，问题也就解决了。

同样的问题出现在AND指令上。

一下就是AND指令运行的结果。

从程序运行的流程上看：

正确的AND指令应该在执行完01A后执行的01C的。

但是这里却出现了错误。

经检查，同样的问题出现了，micro了的微指令已经和第二天设计的微指令不一样了，由此可见该软件还存在一些缺陷。

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};

case（IR[7:

6]）//条件转移类指令*

2'b00:

Flag_MUX<=1'b0;

2'b01:

Flag_MUX<=1'b0;//添加第四天的代码，参照指导书图2－10

2'b10:

Flag_MUX<=1'b0;//根据标志位正确生成BM3_uAR0

2'b11:

Flag_MUX<=1'b0;

default:

Flag_MUX<=1'b0;

endcase

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

（1）：

通过比较指令，将PSW标志位设置为5，然后测试转移指令是否能正确执行。

运行数据：

（0010单元设置为1111，如下图）

1B7A11110010CMP#1111,0010;

019A000BJZ000B;

运行结果及分析：

为了分析CMP+JZ微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。

首先，CMP执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——016——006——01B——01F——024——025——026——007——058——000根据执行结果看：

ALU中运行结果是0000，而且ＰＳＷ标志位为０１０１。

说明结果为０，且没有借位。

执行结果正确。

接下来验证JZ指令执行是否正确：

001——002——003——006——01B——01F——024——025——026——007——075——077——000，程序正常跳转，执行结果正确。

测试内容

（2）：

通过比较指令，将PSW标志位设置为9，然后测试转移指令是否能正确执行。

运行数据：

（0010单元设置为FFEF，如下图）

1B7A11110010CMP#1111,0010;

019A000BJZ000B;

运行结果及分析：

为了分析CMP+JZ微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。

首先，CMP执行的微指令依次是：

001——002——003——004——00B——00F——016——006——01B——01F——024——025——026——007——058——000根据执行结果看：

ALU中运行结果是EEDE，而且ＰＳＷ标志位为9。

说明结果为负，且有借位。

执行结果正确。

接下来验证JZ指令执行是否正确：

001——002——003——006——01B——01F——024——025——026——007——075——076——000，程序正常跳转，执行结果正确。

五、设计中遇到的问题及解决办法

出现的问题：

在程序编写完成后，开始验证。

但是指令运行顺序出现了问题。

如图所示：

（程序没有跳转到075的位置）

微指令运行的顺序出现了问题，首先考虑微指令编码有没有出现错误。

经仔细检测，指令编码没有出现问题。

接下来很可能是程序出现了问题。

果然，在转移指令的入口的地方，原本要设置为075H，但是我在编写代码的时候写成了4’b0011IR[7:

5]1’b01；这样子虽然能运行程序，但是却将程序复杂化，本来只需要一个模式来执行转移程序的，现在却必须为8个转移指令准备8个转移条件。

为了使程序运行，将代码改成’h075后，程序只需要一个入口来为8个转移指令服务。

第五天为CPU扩充移位指令

一、设计目标

在前面CPU的就出上扩充硬件，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）

muxmux_lsb（.addr（IR76）,.q（data_lsb）,.d1（1'b0）,.d2（1'b0）,.d3（d[DATAWIDTH-1]）,.d4（CF））;

muxmux_hsb（.addr（IR76）,.q（data_hsb）,.d1（d[DATAWIDTH-1]）,.d2（1'b0）,.d3（d[0]）,.d4（CF））;

2、CF模块设计

`timescale1ns/1ps

moduleCF_MUX（d15,d0,Cout,q,SL,SR）;

inputd15,d0,Cout;

inputSL,SR;

outputq;

regq;

always@（*）

begin

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）

wireCF;

CF_MUXCFM（.d15（ALU_out[DATAWIDTH-1]）,.d0（ALU_out[0]）,.Cout（Cout）,.q（CF）,.SL（SL）,.SR（SR））;

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

SAR

0

6

0

1

0

0

0

0

0

06F

1810006F

094

SHL

0

6