东北大学计算机组成原理课设报告.docx

1、东北大学计算机组成原理课设报告计算机组成原理课程设计报告班级：计算机 XX 班 姓名： XX 学号： XXX 完成时间：2017.1.6一、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

2、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该模型机指令系统的特点：COP2000模型机的指令为8位，根据操作的内容，可以有0到2个操作数。每个操作数支持5种寻址方式，包括累加器A寻址，寄存器R0R3寻址，寄存器R0R3间接寻址，内存直接寻址以及立即数寻址。COP2000模型机指令的最低两位(IR0和IR1)用来寻址R0R3四个寄存器；IR2和IR3与ELP微控制信号，Cy和Z两

3、个程序状态信号配合，控制PC的置数即程序的转移。各种转移的条件判断逻辑如下所示：PC 置数逻辑 当ELP=1时，不允许PC被预置 当ELP=0时 当IR3=1时，无论Cy和Z什么状态，PC被预置 当IR3=0时 若IR2=0，则当Cy=1时PC被预置 若IR2=1，则当Z=1时PC被预置本模型机时序控制采用不定长机器周期的同步控制方式，一条指令最多分四个节拍。系统提供的默认指令系统包括以下7类指令：算术运算指令：逻辑运算指令：数据传输指令：跳转指令：ADD A, R? ADD A, R? ADD A, MM ADD A, #II ADDC A, R? ADDC A, R? ADDC A, MM

4、 ADDC A, #II SUB A, R?SUB A, R? SUB A, MM SUB A, #II SUBC A, R? SUBC A, R? SUBC A, MM SUBC A, #IIAND A, R? AND A, R? AND A, MM AND A, #II OR A, R?OR A, R? OR A, MM OR A, #IICPL AMOV A, R? MOV A, R? MOV A, MM MOV A, #II MOV R?, A MOV R?,AMOV MM, A MOV R?,#IIJCMM JZMMJMP MMCALL MM RET移位指令：中断返回指令：输入/输出

5、指令：RR A RL A RRC A RLC ARETIREAD MMWRITE MM INOUT该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：COP2000 模型机的微指令字长为 24 位，全部为操作控制部分，不含顺序控制字段。微指令编码采用混合表示法，微地址形成采用计数器方式。微指令格式为水平型微指令。下面分别从为操作控制和顺序控制两方面进行说明：a. 微操作控制24 位微操作控制信号含义如下表：表 1：COP2000 模型机 24 位微控制信号功能控制信号含义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

6、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uPC。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OU

7、T 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 X1 X0:X2、X1、X0 三位组合来译码选择将数据送到 DBUS 上的寄存器。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 S1 S0S2、S1、S0 三位组合决定 ALU 做何种运算。X2 X1

8、X0被选中寄存器S2 S1 S0运算000IN000A+W001IA001A-W010ST010A OR W011PC011A AND W100D100A+W+Cy101R101A-W-Cy110L110NOT A111无111Ab. 顺序控制COP2000 微程序控制器的微地址生成部件是一个计数器，分别控制该计数器的使能端（自动加一）和置数端（跳转至其他指令对应的位程序地址）生成微命令的地址。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：10101011=1101110 无符号乘法的实例演示如图1所示：1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0

9、 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 （0） 1 1 0 1 1 1 0 即：10010110=1101110硬件原理框图：算法流程图：（2）无符号除法实例演示：无符号除法使用加减交替法，若余数为正，则下一步执行减法，商置1；反之商置0，下一步执行加法。0111101111011010101111010001001111011101111111011111100111010000011012313商为9，余数为6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实验仪中的硬件由于循环控制运算时会占用累加器 A，因此参与运

10、算的操作数均应保存在通用寄存器R0R3 中。资源分配如下：直接乘法： R0：中间结果及最终结果 R1：被乘数（每次运算左移 1 位） R2：乘数（每次运算右移 1 位）加减交替除法： R0：被除数（部分余数，最终得到余数） R1：除数（初始化时左移 4 位，每次计算时右移1位） R2：商（低 4 位） R3：计数器4在COP2000集成开发环境下设计全新的指令/微指令系统设计结果如表所示（可按需要增删表项）（1） 新的指令集（设计两个不同指令集要分别列表）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

11、_ 指令取指。ADDR?,#II000001XX 04-07IIR?R?+立即数IIADDR?,A000010XX 08-0BR?A+R?SUBR?,#II000011XX 0C-0FIIR?R?-立即数IISUBR?,A000100XX 10-13R?R?-AMOVR?,#II000101XX 14-17R?R?MOVA, R?000110XX 18-1BAR?SHLR?000111XX 1C-1F3R?不带进位左移1位SHRR?001000XX 20-23R?不带进位右移1位PUSHA001001XX 24-27A压栈POPA001010XX 28-2B将栈顶元素值给AMOVR?,A001

12、011XX 2C-2FR?AANDA,#II001100XX 30-33IIA与立即数II进行与运算JZ MM001101XX 34-37MMZF=1 时跳转JMP MM001111XX 3C-3FMM跳转JC MM010000XX 40-43MMCF=1时跳转（2） 新的微指令集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 MOV R0,#00H MOV R1,#09H MOV R2,#09HLOOP1: SUB R2,#00H JZ LOOP3 MOV A,R2 AND A,#01H JZ LOOP2 MOV A,R1 ADD R0,ALOOP2: SH

13、L R1 SHR R2 JMP LOOP1LOOP3: END（2）除法 MOV R0,#86H MOV R1,#09H MOV R2,#00H MOV R3,#05H MOV A,R1 AND A,#0FFH JZ LOOP3 SHL R1 SHL R1 SHL R1 SHL R1 MOV A,R0 PUSH A MOV A,R1 SUB R0,A JC LOOP1 JMP LOOP3LOOP1: POP A MOV R0,A SHL R2 SHR R1 SUB R3,#01H JZ LOOP4 MOV A,R0 PUSH A MOV A,R1 SUB R0,A JC LOOP1LOOP2:

14、 SHL R2 SHR R1 ADD R2,#01H SUB R3,#01H JZ LOOP4 MOV A,R0 PUSH A MOV A,R1 SUB R0,A JC LOOP1 JMP LOOP2LOOP3: MOV R2,#0FFHLOOP4: END6上述程序的运行情况（跟踪结果）程序运行的过程乘法汇 编 指 令程序地址机器码指令说明微程序PCPC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。CBFFFF+1写入EM:14MOV R0,#00001400将立即数00H存放到寄存器R0中。C7FBFFCBF

15、FFF+1+1+1写入EM:14EM:00 R0:00MOV R1,#09021509将立即数09H存放到寄存器R1中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:15EM:09 R1:09MOV R2,#09041609将立即数09H存放到寄存器R2中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:16EM:09 R2:09SUB R2,#00060E00寄存器R2减去立即数00H后存入寄存器R2中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:0EEM:0E A:09EM:00EM:00JZ 15083415若零标志位置1，跳转到15H地址。C6

16、FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R20A1A将累加器A中的数存放到寄存器R2中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:1AEM:1A W:09AND A,#010B3001累加器A中的数与立即数01H做与运算，结果存入累加器A中C7FFEFFFFE93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:30EM:01EM:01 A=01JZ 110D3411若零标志位置1，跳转到11H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:11MOV A,R10F19将累加器A中的数存放到寄存器R1中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:19EM:19 A

17、:09ADD R0，A1008寄存器R0中的值加上累加器A中的值，结果存入寄存器R0中FFF7EFFFFA98CBFFFF+1+1+1写入EM:08EM:08 W=00EM:01 R0=09SHL R1111D寄存器R1中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:1DEM:1D A:09EM:1D R1:12SHR R21222寄存器R2中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9BFCBFFFF+1+1+1写入EM:22EM:22 A:09EM:22 R2:04JMP 06133C06跳转到06H地址。C6FFFFCB

18、FFFF写入+1+1写入EM:3CEM:06SUB R2,#00060E00寄存器R2减去立即数00H后存入寄存器R2中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:0EEM:0E W:04EM:00EM:00JZ 15083415若零标志位置1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R20A1A将累加器A中的数存放到寄存器R2中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:1AEM:1A A=04AND A,#010B3001累加器A中的数与立即数01H做与运算，结果存入累加器A中C7FFEFFFF

19、E93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:30EM:01 W:01EM:01 A:00JZ 110D3411若零标志位置1，跳转到11H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:11SHL R1111D寄存器R1中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:1DEM:1D A:12EM:1D R1:24SHR R21222寄存器R2中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9BFCBFFFF+1+1+1写入EM:22EM:22 A:04EM:22 R2:02JMP 06133C06跳转到06H地址。C

20、6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:3CEM:06SUB R2,#00060E00寄存器R2减去立即数00H后存入寄存器R2中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:0EEM:0E A:02EM:00 W:00EM:00JZ 15083415若零标志位置1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R20A1AFFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:1AEM:1A A=02AND A,#010B3001寄存器R2与立即数01H，只改变标志位,并不改变R2中的数值。C7FFEFFFFE93

21、CBFFFF +1+1+1+1写入EM:30EM:01 W:01EM:01 A:00JZ 110D3411若零标志位置1，跳转到11H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:11SHL R1111D寄存器R1中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:1DEM:1D A:24EM:1D R1:48SHR R21222寄存器R2中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9BFCBFFFF+1+1+1写入EM:22EM:22 A:02EM:22 R2:01JMP 06133C06跳转到06H地址。C6F

22、FFFCBFFFF写入+1+1写入EM:3CEM:06SUB R2,#00060E00寄存器R2减去立即数00H后存入寄存器R2中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:0EEM:0E A:01EM:00 W:00EM:00JZ 15083415若零标志位置1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R20A1AFFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:1AEM:1A A=01AND A,#010B3001寄存器R2与立即数01H，只改变标志位,并不改变R2中的数值。C7FFEFFFFE93CB

23、FFFF +1+1写入+1+1写入+1EM:30EM:01 W:01EM:01 A:01EM:01JZ 110D3411若零标志位置1，跳转到11H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:11MOV A,R10F19将累加器A中的数存放到寄存器R1中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:19EM:19 A=48ADD R0，A1008寄存器R0中的值加上累加器A中的值，结果存入寄存器R0中FFF7EFFFFA98CBFFFF+1+1+1写入EM:08EM:08 W:09EM:08 R0:51SHL R1111D寄存器R1中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。FF

24、F7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:1DEM:1D A:48EM:1D R1:90SHR R21222寄存器R2中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。FFF7F7FFF9BFCBFFFF+1+1+1写入EM:22EM:22 A:01EM:22 R2:00JMP 06133C06跳转到06H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:3CEM:06SUB R2,#00060E00寄存器R2减去立即数00H后存入寄存器R2中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:0EEM:0E A:00EM:00 W:00EM:00J

25、Z 15083415若零标志位置1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15_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。CBFFFF+1写入EM:00除法：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_FATCH000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+1写入EM=14MOV R0,#86H001486将立即数86H存放到寄存器R0中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM=14EM=86 R0=86MOV R1,#09H021509将立即数09H存放到寄存器R1中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM=15EM=09 R1=09MOV R2,#00H041600将立即数00H存放到寄存器R2中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM=16EM=00 R2=00MOV