东北大学计组课设 计算机组成原理课程设计报告.docx

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COP 2000模型机的微程序 控制器原理，通过综合实验来实现总体概述C0P2000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 端口不、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。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ACPL A将累加器A 的值取反隐含寻址累 加器AOUT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 R0R3的寄 存器中ADDA, RO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ANDA, 40H将存储器EM 中40H单元 的数据与累据的地址为 指令的操作 数。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)：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。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）操作控制 信号表2微指令控制信号的功能控制信号的说明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的值送到地址 总线ABUS ±oEMEN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DBUSoIREN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gPCoEINT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MARoMAROE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、XI、X0三位组合来译码选择 将数据送到DBUS上的寄存器。XIX0WEN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、Sl> SO三位组合决定ALU 做何种运算。S1SOC0P2000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, XI, X0决定那一个寄存器输出数 据。X2 XIX0输出寄存器000IN_OE夕卜部输入门001IA_OE中断向量01ST_OE堆C0P2000中的运算器由一片EPLD实现.有8 种运算，通过S2, SI, SO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。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。算法流程图硬件原理框图: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 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执行 ADDA,R?（加法）、SHL R?（左移一位）、SHR 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）、TEST R?,#II （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F1PC向微程序存储器提供相应 微指令的地址。微程序存存储相应指令的微指令。储器gM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。存储器存储指令和数据。EM微程序计数器|iPC向微程序存储器提供相应 微指令的地址。微程序存 储器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_FAT CH_00000Oxx实验机占用，不可修改。 复位后，所有寄存器清00-030,首先执行_FATCH_ 指令取指。ADDR?, A00000 lxx04-07将累加器A中的数加入 到寄存器R?中，并影响 志位。ADD R?,# II00001Oxx 08-0BII将立即数H加入到寄存 器R?中，并影响标志位。SUBR?,A00001 lxx OC-OF从寄存器R?中减去累 加器A中的数，并影响 志位。SUB R?,# II00010Oxx 10-13II从寄存器R?中减去立 即数H,并影响标志 位。TESTR?,# II00010 lxx 14-17II寄存器R? “与"立即 数H,只改变标志位， 并不改变R?中的数值。PUSH A00011Oxx18-1B将累加器A中的数据压 入堆栈寄存器SToPOP00011将堆栈寄存器ST中的Alxx1C-1F数据弹出到累加器A 中。MOVA, R?OO1OOOxx 20-23将寄存器R?中的数放 入累加器A中。MOV R?,# II00100 lxx24-27II将立即数II存放到寄 存器R?中。SHL R?00101Oxx 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。SHR R?00101 lxx 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。JCMM00110Oxx 30-33MM若进位标志位置1,跳转 到MM地址。JZMM00110 lxx34-37MM若零标志位置L跳转到 MM地址。JMP00111跳转到MM地址。MMOxx 38-3BOVER00111 lxx 3C-3F程序结束。（2）新的微指令集（乘除法微指令集）助记状微微程数据数据地址运移位囱P符态地 址序输出打入输出具器控制CC_FAT CH_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+1TO06CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+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+1T1OAFFFA98ALU 直通寄存器R?志加 运 算+1位C,ZTOOBCBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+1SUBR?,AT3OCFFFF8FALU 直通寄存 器WA输 出+1T2ODFFF7F7寄存 器值 R?寄存 器AA输 出+1T1OEFFFA99ALU 直通寄存器R?标 志位C,Z减 运 算+1TOOFCBFFFF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存贮寄存PC输A输+1+1EF器值EM器W出出T112FFFA99ALU 直通寄存 器R? 标志位C,Z减 运+1TO13CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+1TEST R?,# IIT314C7FFFF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?志 位 c,z与 运 算+1TO17CBFF指令PC输A输写+1FF寄存器IR出出入PUSH AT118FFEF9FALU 直通堆栈 寄存器STA输 出+1TO19CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+11AFFFFFFA输 出+1IBFFFFFFA输 出+1POP AT1ICFFFF57堆栈 寄存器ST寄存器AA输 出+1TOIDCBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写入+1IEFFFFFFA输 出+1IFFFFFFFA输 出+1MOVA, R?T120FFF7F7寄存 器值 R?寄存器AA输 出+1TO21CBFFFF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+1TO25CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+126FFFFFFA输 出+127FFFFFFA输 出+1SHL R?T228FFF7F7寄存 器值寄存器AA输 出+1R?T129FFF9DFALU左移寄存 器 R?A输 出左移+1TO2ACBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+12BFFFFFFA输 出+1SHRR?T22CFFF7F7寄存 器值 R?寄存器AA输 出+1T12DFFF9BFALU 右移寄存 器R?A输 出右移+1TO2ECBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写入+12FFFFFFFA输 出+1JCMMT130C6FFFF存贮 器值寄存器PCPC输 出A输 出+1写 入EMTO31CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+132FFFFFFA输 出+133FFFFFFA输 出+1JZMMT134C6FFFF存贮 器值EM寄存器PCPC输 出A输 出+1写 入TO35CBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+136FFFFFFA输 出+137FFFFFFA输 出+1JMP MMT138C6FFFF存贮 器值EM寄存器PCPC输 出A输 出+1写 入TO39CBFF指令PC输A输写+1FF寄存器IR出出入3AFFFFFFA输 出+13BFFFFFFA输 出+1OVERTO3CCBFFFF指令 寄存 器IRPC输 出A输 出写 入+13DFFFFFFA输 出+13EFFFFFFA输 出+13FFFFFFFA输 出+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：MOVRO,#OOH;初始化部分积MOVRl,#09H；初始化被乘数MOVR2,#06H；初始化乘数LOOP :TESTR2,#0FH；测试乘数是否为0JZLAST；是0跳转，程序结束TEST R2,#01H；测试乘数末位时候为0 JZNEXT；是0跳转，不用加被乘数MOVA,R1;被乘数送累加器ADDRO,A；被乘数加到部分积NEXT :SHLR1;被乘数左移一位SHR R2；乘数右移一位JMP LOOP到下一次测试LASTOVER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：MOV RO, #31H；初始化被除数MOV RI, #07H；初始化除数MOV R2, #00H；初始化商MOV R3, #05H；初始化计数器TEST RI, #0FH;测试除数是否为0JZ OVERFLOW;除数是o,转到溢出处理MOV A, RI;除数送累加器PUSH A;保存除数SHL RISHL RISHL RISHL RIMOV A, RI;除数左移四位;移位后除数送累加器SUB RO, A;被除数减去移位后除数JC ZERO;有进位跳到ZERO,上0处理JMP OVERFLOW;首次没借位会得出5位商，溢出处理ZERO:SHL R2;商左移一位SHR R1;除数右移一位SUB R3, #01H;计数器减1JZ FINISH;计数器为0,跳转到FINISHMOV A, RI;被除数减去移位后除数ADD RO,A;被除数加上移位后除数JC ONE；有借位跳到ONE,上1处理JMP ZERO；没借位跳到ZERO,上0处理ONE:SHL R2;商左移一位ADD R2, #O1H;商力口1SHR RI;除数右移一位SUB R3, #O1H;计数器减1JZ FINISH；计数器为0,跳转到FINISHMOV A, RI;移位后除数送累加器SUB RO, A;被除数减去移位后除数JC ZERO；有借位跳到ZERO,上0处理JMP ONE；没借位跳到ONE,上1处理OVERFLOW:MOV R2, 80FFH;溢出，商置为全1JMP JIESHU;无条件跳转到程序结束FINISH:TEST RO, #80H;测试余数是否为负JZ JIESHU;为止不用处理POP A;恢复除数ADD RO,A;余数加上除数JMP JIESHU;跳转到程序结束JIESHU:OVERCYCLE:JMP CYCLE除法算法流程性F必，初始化：被除数除数RI1Itfr ncIN prTZ； T>C 3 4除数RI；kby恢复除v <<、l在?_L 皿 rwN6.上述程序的运行情况（跟踪结果） 。乘法程序运行过程汇编指令程 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_FATCH0000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:24MOV00240将立即数00HC7FBFF+EM: 24RO, #000存放到寄存器 RO中。CBFFFF1411写 入EM:OOR0:00MOV02250将立即数09HC7FBFF+EM: 25RI, #099存放到寄存器CBFFFF11EM: 09R1中。+写RI: 091入MOV04260将立即数06HC7FBFF+EM: 26R2, #066存放到寄存器CBFFFF11EM: 06R2中。+写R2:061入TEST06160寄存器R2与C7FFEF+EM: 16R2, #0FF立即数OFH,FFF7F711EM: OF只改变标志FFFE93+W:OF位,并不改变CBFFFF1EM: OFR2中的数值。+A:0611EM: OF写入JZ 1408341若零标志位置C6FFFF写4-EM: 3441,跳转到14HCBFFFF入1EM: 14地址。+写1入TESTR2, #010A1601寄存器R2与 立即数01H, 只改变标志 位,并不改变 R2中的数值。C7FFEFFFF7F7FFFE93CBFFFF+1+1+1+1+1 写 入EM:16EM: 01W:01EM:01A:06EM: 01JZ 10OC3410若零标志位置 1,跳转到14H 地址。C6FFFFCBFFFF写 入 +1+1写 入EM: 34EM: 10SHLRI1029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: 29EM: 29A:09EM: 29RI: 12SHRR2112E寄存器R2中 的数不带进位 向右移一位，FFF7F7FFF9BFCBFFFF+41+EM:2EEM:2EA:06并不影响标志 位。11写 入EM:2ER2:03JMP12380跳转到06H地C6FFFF写+EM: 38066址。CBFFFF入1EM: 06+写1入TEST06160寄存器R2与C7FFEF+EM: 16R2, #0FF立即数OFH,FFF7F711EM: OF只改变标志FFFE93+W:OF位,并不改变CBFFFF1EM: OFR2中的数值。+A:0311EM: OF写入JZ 1408341若零标志位置C6FFFF写+EM: 3441,跳转到14HCBFFFF入1EM: 14地址。+写1入TEST0A160寄存器R2与C7FFEF+4-EM: 16R2, #011立即数01H,FFF7F711EM: 01只改变标志FFFE93+W:01位,并不改变R2中的数值。CBFFFF411 +1 写 入EM:01A:03EM: 01JZ 10OC341若零标志位置C6FFFF写+EM: 3401,跳转到14HCBFFFF入1EM: 10地址。+写1入MOVOE21将寄存器R1FFF7F7+EM:21A, RI中的数放入累CBFFFF+1EM:21加器A中。1写A:12入ADDOF04将累加器A中FFF7EF+EM: 04RO, A的数加入到寄FFFA981EM: 04存器R0中，并CBFFFF+W:00影响标志位。11EM: 04写R0:12入SHL1029寄存器R1中FFF7F74-EM: 29RI的数不带进位FFF9DF1EM: 29向左移一位，CBFFFF+A:12并不影响标志 位。11写 入EM:29Rl:24SHR112E寄存器R2中FFF7F7+EM:2ER2的数不带进位FFF9BF1EM:2E向右移一位，CBFFFF+A:03并不影响标志11EM:2E位。写R2:01入JMP12380跳转到06H地C6FFFF写+EM: 38066址。CBFFFF入1EM: 06+写1入TEST06160寄存器R2与C7FFEF+EM: 16R2, #0FF立即数0FH,FFF7F711EM: OF只改变标志FFFE93+W:OF位,并不改变CBFFFF1EM: OFR2中的数值。+A:0111EM: OF写入JZ 1408341若零标志位置C6FFFF写+EM: 3441,跳转到14H 地址。CBFFFF入411写 入EM:14TESTOA160寄存器R2与C7FFEF+EM: 16R2, #011立即数01H,FFF7F711EM: 01只改变标志FFFE93+W:01位,并不改变CBFFFF1EM: 01R2中的数值。+A:0111EM: 01写入JZ 10OC341若零标志位置C6FFFF写+EM: 3401,跳转到14HCBFFFF入1EM: 10地址。+写1入MOVOE21将寄存器R1FFF7F7+EM:21A, RI中的数放入累CBFFFF+1EM:21加器A中。1写A:24入ADDOF04将累加器A中FFF7EF4-EM: 04RO, A的数加入到寄FFFA981EM: 04存器R0中，并CBFFFF+W:12影响标志位。11写 入EM:04R0:36SHL1