计算机组成原理课程设计.docx

1、计算机组成原理课程设计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： 2011年1月3日 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

2、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：总体结构: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

3、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。模型机的寻址方式分五种： 累加器寻址： 操作数为累加器A，例如“CPL A”是将累加器A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器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 A，R0”指令是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。20112989_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，例如“MOV A，R1”指令是将寄存器R1的值做为地址，把存储

4、器EM中该地址的内容送入累加器A中。d.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。例如“AND A，40H”指令是将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。e.立即数寻址： 参与运算的数据为指令的操作数。例如“SUB A，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：每条指令都分成四个周期，每个周期都是一步运算，而每步运算都是由24个控制为组成，这24个控制为分别是：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

5、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。 OUT

6、EN：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： X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。详情见表1。 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

7、合决定ALU做何种运算。详情见表2。表1 表2X2 X1 X0输出寄存器S2 S1 S0功能0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 0A+W 加0 0 1IA_OE 中断向量0 0 1A-W 减0 1 0ST_OE 堆栈寄存器0 1 0A|W 或0 1 1PC_OE PC寄存器0 1 1A&W 与1 0 0D_OE 直通门1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1R_OE 右移门1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0L_OE 左移门1 1 0A A取反1 1 1没有输出1 1 1A 输出A 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）：在程序中被

8、乘数为7 （0111），乘数是6（0110） 得数应为42（0010 1010）算法过程：0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 R2值为0 0 0 0 0 （0）最低位是0，则R2=R2+0 R0左移 R1右移 0 0 0 0 R2值为0 0 1 1 1 （1）最低位是1，则R2=R2+R0 R0左移 R1右移0 1 1 1 0 R2值为01110， 0 1 1 1 （1）最低位是1，则R2=R2+R0 R0左移 R1右移1 0 1 0 1 0 R2值为101010 0 0 0 0 （0）最低位是0，则R2=R2+0 R1右移0 0 1 0 1 0 1 0 R2值为00101010=

9、2A硬件原理框图：算法流程图：总体思想是移位相加（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）：在程序中被除数是65（01100110）除数是9（1001）商是B（1011）余数2（0010）由恢复余数法得到一个新的算法 R0=R0-R1/20 1 0 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 R0=R0-R1 借位跳LAB11 0 0 1 R2左移 R1右移 R3=R3-10 0 0 1 1 1 R0=R0+R1 进位跳LAB21 0 0 1 R2左移 R1右移 R3=R3-1 1 1 1 1 1 0 1 R0=R0-R1 借位跳

10、LAB11 0 0 1 R2左移 R1右移 R3=R3-10 0 0 0 1 1 0 0 R0=R0+R1 进位跳LAB21 0 0 1 R2左移 R1右移 R3=R3-1 0 0 0 0 0 0 1 1 R0=R0-R1 R3=0 结束硬件原理框图：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）无符号乘法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R1 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。寄存器R2计算时

11、用来存放部分积和最后的积累加器A执行ADD A,R?（加法）、RL R?（左移一位）、RR R?（右移一位）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执行ADD A,R?（加法）、AND R?,#II（测试R1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 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

12、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存储相应指令的微指令。（2）无符号除法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 初始化时，用来存放除数； 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 计算时用来存放中间结果； 执行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（减法）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执行SUB A,R?（减法）等双操作数命令时所必须使

13、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 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存储相应指令的微指令。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

14、） 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_ 指令取指。ADD R?, A000001xx 04-07将累加器A中的数加入到寄存器R?中，并影响标志位。ADDR?,#II000010xx 08-0BII将立即数II加入到寄存器R?中，并影响标志位。SUB R? ,A000011xx 0C-0F从寄存器R?中减去累加器A中的数，并影响标志位。SUB R?,#II000100xx 10-13II从寄存器R?中减去立即数II，并影响标志位。AND R?,#I

15、I000101xx 14-17II寄存器R? “与” 立即数II，只改变标志位,并不改变R?中的数值。000110xx 18-1B000111xx 1C-1FMOV A,R?001000xx 20-23将寄存器R?中的数放入累加器A中。MOV R?,#II001001xx 24-27II将立即数II存放到寄存器R?中。RL R?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。RR R?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。JC MM001100xx 30-33MM若进位标志位置1，跳转到MM地址。JZ MM001101x

16、x 34-37MM若零标志位置1，跳转到MM地址。001110xx 38-3BJMP MM001111xx 3C-3FMM跳转到MM地址。OVER010000xx 40-43程序结束。(2)新的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PCPC_FATCH_T000CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFFA输出+102FFFFFFA输出+103FFFFFFA输出+1ADD R?,AT204FFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T105FFFA98ALU直通寄存器R? 标志位C,Z加运算+1T006CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入

17、+107FFFFFFA输出+1ADD R?,#IIT308FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T209C7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T10AFFFA98ALU直通寄存器R?标志位C,Z加运算+1T00BCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUB R?,A T30CFFFF8FALU直通寄存器WA输出+1T20DFFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T10EFFFA99ALU直通寄存器R？标志位C,Z减运算+1T00FCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUB R?,#IIT310FFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T211C7FF

18、EF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T112FFFA99ALU直通寄存器R?标志位C,Z减运算+1T013CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1AND R?,#IIT314C7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T215FFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T116FFFE93ALU直通寄存器R?标志位C,Z与运算+1T017CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1UNDEFT118FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T019CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+11AFFFFFFA输出+11BFFFFFFA输出+1UNDEFT1

19、1CFFFF57堆栈寄存器ST寄存器AA输出+1T01DCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+11EFFFFFFA输出+11FFFFFFFA输出+1MOV A,R?T120FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T021CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+122FFFFFFA输出23FFFFFFA输出MOV R?,#IIT124C7FBFF存贮器值EM寄存器R？PC输出A输出+1+1T025CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+126FFFFFFA输出+127FFFFFFA输出+1RL R?T228FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T129FFF9DFALU

20、左移寄存器R？A输出左移+1T02ACBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+12BFFFFFFA输出+1RR R?T22CFFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T12DFFF9BFALU右移寄存器R？A输出右移+1T02ECBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+12FFFFFFFA输出+1JC MMT130C6FFFF存贮器值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+1JZ MMT134C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T035CBFFFF指令寄存器IRPC

21、输出A输出写入+136FFFFFFA输出+137FFFFFFA输出+1UNDEFT138C6FFFF存贮器值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+1JMP MMT13CC6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T03DCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+13EFFFFFFA输出+13FFFFFFFA输出+1OVERT040CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+141FFFFFFA输出+142FFFFFFA输出+143FFFFFFA输出+15用设计完成的新指令集

22、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： MOV R0,#07H MOV R1,#06H MOV R2,#00H MOV A,R1 AND R0,#0FH JZ LAB3 AND R1,#0FH JZ LAB3LAB1: AND R1,#01H JZ LAB2 MOV A,R0 ADD R2,ALAB2: RL R0 RR R1 AND R1,#0FH JZ LAB3 JMP LAB1LAB3: OVER（2）除法 4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单： MOV R0,#66H MOV R1,#09H MOV R2,#00H MOV

23、R3,#05H AND R0,#0FFH JZ LAB5 AND R1,#0FH JZ LAB4 RL R1 RL R1 RL R1 RL R1 MOV A,R1 SUB R0,A JC LAB1 JMP LAB4LAB1 : RL R2 RR R1 SUB R3,#01H JZ LAB3 MOV A,R1 ADD R0,A JC LAB2 JMP LAB1LAB2 : RL R2 ADD R2,#01H RR R1 SUB R3,#01H JZ LAB3 MOV A,R1 SUB R0,A JC LAB1 JMP LAB2LAB3 : AND R0,#80H JZ LAB5 MOV R1,#

24、09H MOV A,R1 ADD R0,A JMP LAB5LAB4 : MOV R2,#0FFHLAB5 : OVER6上述程序的运行情况（跟踪结果）按下表填写描述以上各程序运行情况的内容。按每个程序一张表进行。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。CBFFFF+1写入EM:24MOV R0,#07002407将立即数07H存放到寄存器R0中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:24EM:07 R0:07MOV R1,#06022506将立即数06H存放到寄存器R1中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:25EM:06 R1:06MOV R2,#00042600将立即数00H存放到寄存器R2中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:26EM:00 R2:00MOV A,R10621将寄存器R1中的数放入累加器A中FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:21