计算机组成原理课程设计报告.docx

1、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

2、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COP 2000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

3、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“CPL A”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“ADD

4、A,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“MOV A,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“AND A,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“SUB A,#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

5、位后，所有寄存器清0，首 先执行 _FATCH_ 指令取指 ADD A, 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

6、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PC。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。ELPPC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

7、器组R0R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写寄存器组R0R3，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。X2X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。X1X0WEN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。S2S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。S1S0COP2000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。 X2 X

8、1 X0输出寄存器0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 1IA_OE 中断向量0 1 0ST_OE 堆栈寄存器0 1 1PC_OE PC寄存器1 0 0D_OE 直通门1 0 1R_OE 右移门1 1 0L_OE 左移门1 1 1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。S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W 减0 1 0A|W 或0 1 1A&W 与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0A A取反1 1 1A 输出A 微指令格

9、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PCPC_FATCH_T000 CBFFFF 指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFFA输出+102FFFFFFA输出+103FFFFFFA输出+1 2。计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法实例演示（即，列4位乘法具体例子演算的算式）：1 0 0 0 被乘数08 0 1 0 1 乘数05 0 0 0 0 中间结果(R0)初始值设为0 1 0 0 0 乘数0101最低位为1，R0=R0+1000， 被乘数左移，乘数右移一位为0010。 1 0 0 0 中间结果(R0=8) 0 0 0 0 乘数最低位为0，加0 ，

10、R0不变 被乘数左移一位，乘数右移一位为0001 0 1 0 0 0 中间结果(R0=8) 1 0 0 0 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 1 0 1 0 0 0 中间结果R0=40 0 0 0 0 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） 0 1 0 1 0 0 0 结果为00101000 即：10000101=00101000（28十进制是40）硬件原理框图： 算法流程图：（2）无符号除法实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）： 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1

11、 - 1 0 0 0 1 1 0 1 0 差为负,做加法,商为0 + 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 差为正,做减法,商为1 - 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 + 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 - 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 + 1 0 0 0 - 0 1 1 1 即：01010111/1000=000010100111（87/8=107） 硬件原理框图：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

12、存放中间结果和最后的积。寄存器R1 初始化时，用来存放被乘数； 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 初始化时，用来存放乘数； 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 控制程序按顺序正常执行； 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。 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PC向微程序存储器M提供相应微指令的地址。微程序存储器M存储相应指令的微

13、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 控制程序按顺序正常执行； 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。 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PC向微程序存储器M

14、提供相应微指令的地址。微程序存储器M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。MOVE R? ,#II000001xx 04-07 II将立即数II送入寄存器R中。MOVE A,R?000010xx 08-0B将寄存器R中的数据送入累加器A中。MOVE R?,A000011xx 0C-0F将A累加器中的数据送入寄存器R中。MOVE A,#II000100xx 10-13 II

15、将立即数II送入累加器A中。JMPZ MM000101xx 14-17 MM零标志跳转指令。OR R?,#II000110xx 18-1B II逻辑或指令，影响标志位。AND R?,#II000111xx 1C-1F II逻辑与指令，影响标志位。SHL R?001000xx 20-23将寄存器R中的数据逻辑左移一位。SHR R?001001xx 24-27将寄存器R中的数据逻辑右移一位。ADD R?,A001010xx 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。FINISH001011xx 2C-2F程序结束。JMPC MM001100xx 30-33

16、MM进位判断跳转语句。SUB A,R?001101xx 34-37带进位减法语句，结果保存在累加器A中GOTO MM001110xx 38-3B无条件跳转指令。ADD2 R?,A001111xx 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PCPC_FATCH_TO00CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFFA输出+102FFFFFFA输出+103FFFFFFA输出+1MOVE R? ,#IIT104C7FBFF存储器值EM寄存器R？PC输出A输出+1+1T005CBFFFF指

17、令寄存器IRPC输出A输出写入+106FFFFFFA输出+107FFFFFFA输出+1MOVE A,R?T108FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T009CBFFFFA输出写入+10AFFFFFFA输出+0BFFFFFFA输出+1MOVE R?,AT10CFFFB9FALU直通寄存器R？A输出+1T00DCBFFFF指令寄存器IRA输出写入+10EFFFFFFA输出+10FFFFFFFA输出+1MOVE A,#IIT110C7FFF7寄存器值EM寄存器APC输出A输出+1+1T011CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+112FFFFFFA输出+113FFFFFFA输出+1JM

18、PZ MMT114C6FFFF存储器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T015CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+116FFFFFFA输出+117FFFFFFA输入+1OR R?,#IIT318C7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T219FFF7F7R？寄存器AA输出+1T11AFFFE92ALUA，标志位CZ或运算+1T01BCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1AND R?,#IIT31CC7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T21DFFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T11EFFFE93ALU直通寄存器A，标志位C、Z与运算

19、+1T01FCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SHL R?T220FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T121FFF8DFALU左移寄存器R？，标志位C、ZA输出左移+1T022CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+123FFFFFFA输出+1SHRR?T224FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T125FFF8BFALU右移寄存器R？，标志位C、ZA输出右移+1T026CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+127FFFFFFA输出+1ADD R?,AT328FFF7EF寄存器值R？寄存器wA输出+1T229FFFE94ALU直通寄存器A，标志位C、Z

20、带进位加法+1T12AFFFB9FALU直通寄存器R？A输出+1写入T02BCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1FINISHT02CCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+12DFFFFFFA输出+12EFFFFFFA输出+12FFFFFFFA输出+1JMPC MMT130C6FFFF寄存器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T031CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+132FFFFFFA输出+133FFFFFFA输出+1SUB A,R?T234FFF7EF寄存器值R？寄存器wA输出+1T135FFFE95ALU直通寄存器A，标志位C、Z带进位减法+1T036CB

21、FFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+137FFFFFFA输出+1GOTO MMT138C6FFFF存储器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T039CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+13AFFFFFFA输出+13BFFFFFFA输出+1ADD2 R?,AT33CFFF7EF寄存器值R？寄存器wA输出+1T23DFFFF90ALU直通寄存器A加运算+1T13EFFFB9FALU直通寄存器R？A输出+1T03FCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+15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：M

22、OVE R1,#08H;被乘数MOVE R2,#05H;乘数MOVE R0,#00H;中间结果BBB:OR R2,#00H;JMPZ CCC;AND R2,#01H;JMPZ DDD;MOVE A,R1;ADD R0,A;DDD:SHL R1; SHR R2; GOTO BBB;CCC:FINISH; （2）除法 4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：MOVE R1,#57H;被除数87MOVE R2,# 80H;除数5MOVE R3,#1FH;计数次数MOVE R0,#00H;商 BBB:MOVE A,R1;SUB A,R2;带进位减法MOVE R1,A;JMPC CCC;判断是否有借位S

23、HL R0;商左移一位MOVE A,#01H;ADD2 R0,A;SHR R2;除数右移一位SHR R3;OR R3,#00H;JMPZ DDD;GOTO BBB;CCC:MOVE A,R2;ADD2 R1,A;MOVE R1,A;SHL R0;SHRYI R2;SHRYI R3;OR R3,#00H;JMPZ DDD;GOTO BBB;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_0000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。CBF

24、FFF0104EM：05MOVE R1 ,#08H000508将立即数08送入寄存器R1C7FBFFCBFFFF02030504EM:08 R1:08EM:06 R1:08MOVE R2 ,#05H020605将立即数05送入寄存器R2。C7FBFFCBFFFF04050504EM:05 R2:05EM:04 R2:05MOVE R0,#00H040400将立即数00送入寄存器R0。C7FBFFCBFFFF06070518EM:00 R0:00EM:1A R0:00OR R2,#00H061A00将寄存器R2中值与立即数00逻辑或运算，影响标志位。C7FFEFFFF7F7FFFE92CBFFFF08080809191A1B