计算机组成原理课程设计报告大学论文.doc
计算机组成原理课程设计报告班级：计算机/物联网 1406 班 姓名： 宋世波 学号： 20143753 完成时间： 2016-12-31 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l COP2000实验仪l PC机2软件l 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） 模型机指令系统特点COP2000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IN、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。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： 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（2） 模型机微指令系统特点（包括其微指令格式的说明等）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。24位控制位分别介绍如下： 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、X1、X0:三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。X2 X1 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 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、S0:三位组合决定ALU做何种运算。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A2. 计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法算法流程图：硬件原理框图：（2）无符号除法算法流程图：硬件原理框图：实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）：0 1 0 0 0 0 1 10 1 1 00 1 0 0 0 0 1 1 00 1 1 0 10 0 1 0 0 1 1 00 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 00 0 1 1 1 0 0 0 00 1 1 0 1 0 0 0 13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）无符号乘法无符号乘法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如下表所示：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存放被乘数寄存器R1存放乘数寄存器R2存放中间结果，最后变为积累加器A执行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（减法）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）、AND A，#II（与运算）、SUB R?,A（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 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：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存放被除数，计算后变为余数。寄存器R1存放除数；寄存器R2存放中间结果，最后为商。寄存器R3当作计数器使用，初始为4。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ADD A,R?（加法）、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） 新的指令集助记符机器码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?, A000010xx 08-0BR?ßR?+AADD R?, #II000011xx 0C-0FIIR?ßR?+立即数SUB A, R?001100xx 30-33AßA-R?SUBC A, R?010000xx 40-43AßA-R?(带进位)AND A, #II010111xx 5C-5FIIA和立即数与运算存入AMOV A, R?011100xx 70-73R?àAMOV A, #II011111xx 7C-7FII立即数存入AMOV R?, A100000xx 80-83AàR?MOV R?, #II100011xx 8C-8FII立即数存入R？JC MM101000xx A0-A3MM标志位Cy=1时跳转JZ MM101001xx A4-A7MM标志位Z=1时跳转JMP MM101011xx AC-AFMM无条件跳转_INT_101110xx B8-BB实验机占用，不可修改。进入中断时，实验机硬件产生-INT-指令NOP111000xx E0-E3空指令SHL R?111101xx F4-F7R?不带进位左移，标志位不改变SHR R?111100xx F0-F3R?不带进位右移，标志位不改变（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mPCPC_FATCH_T0->00CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFF浮空浮空A输出+102FFFFFF浮空浮空A输出+103FFFFFF浮空浮空A输出+1MOVR?,#IIT18CC7FBFF存贮器值EM寄存器R？PC输出A输出写入+1T08DCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+18EFFFFFF浮空浮空A输出+18FFFFFFF浮空浮空A输出+1MOVA, R?T170FFF7FB寄存器R?寄存器A浮空A输出+1 T071CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+172FFFFFF浮空浮空A输出+173FFFFFF浮空浮空A输出+1MOVR?, AT180FFFB9FALU直通寄存器R？浮空A输出+1 T081CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+182FFFFFF浮空浮空A输出+183FFFFFF浮空浮空A输出+1MOVA, #IIT17CFFF7FB寄存器R?寄存器A浮空A输出+1 T07DCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+17EFFFFFF浮空浮空A输出+17FFFFFFF浮空浮空A输出+1ADDR?,AT208FFF7EF寄存器R?寄存器W浮空A输出+1T109FFFA98ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空加运算+1T00ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+10BFFFFFF浮空浮空A输出+1ADD R? ,#IIT30CFFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T20DC7FFEF寄存器EM寄存器WPC输出A输出+1+1T10EFFFA98ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空加运算+1T00FCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUBA, R?T31CFFF7EF寄存器R？寄存器W浮空A输出+1T21DFFFE91ALU直通寄存器A标志位C,Z浮空减运算+1T11ECBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1T01FFFFFFF浮空浮空A输出+1SUBR?,#IIT304FFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T205C7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T106FFFA99ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空减运算+1T007CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SHL R?T2F4FFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T1F5FFF9DFALU左移寄存器R？浮空A输出左移+1T0F6CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1F7FFFFFF浮空浮空A输出+1SHR R?T2F0FFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T1F1FFF9BFALU右移寄存器R？浮空A输出右移+1T0F2CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1F3FFFFFF浮空浮空A输出+1JC MMT1A0C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T0A1CBFFFF浮空寄存器IRPC输出A输出写入+1A2FFFFFF浮空浮空A输出+1A3FFFFFF浮空浮空A输出+1JZ MMT1A4C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T0A5CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1A6FFFFFF浮空浮空A输出+1A7FFFFFF浮空浮空A输出+1JMP MMT1ACC6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T0ADCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1AEFFFFFF浮空浮空A输出+1AFFFFFFF浮空浮空A输出+1NOPT0E0CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1E1FFFFFF浮空浮空A输出+1E2FFFFFF浮空浮空A输出+1E3FFFFFF浮空浮空A输出+1ANDA, #IIT25CC7FFEF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1+1T15DFFFE93ALU直通寄存A 标志位C，Z浮空与运算+1T05ECBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+15FFFFFFF浮空浮空A输出+1_INT_T2BCFFEF7FPC值堆栈寄存器ST浮空A输出+1T1BDFEFF3F中断地址IA寄存器PC浮空A输出+1写入T0BECBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1BFFFFFFF浮空浮空A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：1. 算法流程图：2. 汇编语言程序清单start: MOV R0,#0BH MOV R1,#0CH MOV R2,#00Hbegin: SUB R1,#00H JZ finish MOV A,R1 AND A,#01H SHR R1 JZ judge MOV A,R0 ADD R2,Ajudge: SHL R0 JMP beginfinish: NOP END（2）除法 4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：1. 算法流程图2. 汇编语言程序清单start: MOV R0,#33H MOV R1,#05H MOV R2,#00H MOV R3,#04H SHL R1 SHL R1 SHL R1 SHL R1begin: SHL R0 SHL R2 MOV A,R0 SUBC A,R1 JC judge MOV R0,A ADD R2,#01Hjudge: SUB R3,#01H JZ finish JMP beginfinish: SHR R0SHR R0 SHR R0 SHR R06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1. 乘法汇 编 指 令程序地址机器码指令说明微程序PC mPC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:04MOV R0,#06H000406将立即数06H存放到寄存器R0中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:04EM:06 R0:06MOV R1,#0BH02050B将立即数0BH存放到寄存器R1中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:05EM:0B R1:0BMOV R2,#00H040600将立即数00H存放到寄存器R2中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:06EM:00 R2:00SUB R1,#00H062100寄存器R1减去立即数00H后存入寄存器R1中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:21EM:21 A:0BEM:00 W:00EM:00 R1:0BJZ 15083415若零标志位Z=1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R10A09将寄存器R1中的数存放到累加器A中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:09EM:09 A:0BAND A,#01H0B4001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,标志位改变C7FFEFFFFE93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:40EM:01 W:01D:01 A:01SHR R10D29R1寄存器不带进位左移一位，标志位不改变FFF7F7FFF9BFCBFFFF写入+1+1+1写入EM:29A:0BR:05 R1:05JZ 120E3412若零标志位Z=1，跳转到12H地址。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:34EM:12MOV A,R01008寄存器R0中的值送到累加器A中FFF7EFCBFFFF+1+1写入EM:08A:06ADD R2,A1116寄存器R2中的值加上累加器A的值送到寄存器R2中。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:16W:0D:06 R2:06SHL R01224寄存器R0中的数不带进位左移一位，标志位不改变。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:24 EM:24 A:06L:0C R0:0CJMP 06133806无条件跳转到06H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:38EM:06SUB R1,#00H062100寄存器R1减去立即数00H后存入寄存器R1中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:21A:05W:00D:05 R1:05JZ 15083415若零标志位Z=1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R10A09将寄存器R1中的数存放到累加器A中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:09EM:09 A:05AND A,#01H0B4001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,标志位改变C7FFEFFFFE93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:40EM:01 W:01D:01 A:01SHR R10D29R1寄存器不带进位左移一位，标志位不改变FFF7F7FFF9BFCBFFFF写入+1+1+1写入EM:29A:05R:02 R1:02JZ 120E3412若零标志位Z=1，跳转到12H地址。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:34EM:12MOV A,R01008寄存器R0中的值送到累加器A中FFF7EFCBFFFF+1+1写入EM:08A:0CADD R2,A1116寄存器R2中的值加上累加器A的值送到寄存器R2中。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:16W:06D:12 R2:12SHL R01224寄存器R0的数不带进位左移一位，标志位不改变。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:24 EM:24 A:0CL:18 R0:18JMP 06133806无条件跳转到06H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:38EM:06SUB R1,#00H062100寄存器R1减去立即数00H后存入寄存器R1中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:21EM:21 A:02EM:00 W:00D:02 R1:02JZ 15083415若零标志位Z=1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R10A09将寄存器R1中的数存放到累加器A中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:09EM:09 A:02AND A,#01H0B4001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,标志位改变C7FFEFFFFE93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:40EM:01 W:01D:00 A:00SHR R10D29R1寄存器不带进位左移一位，标志位不改变FFF7F7FFF9BFCBFFFF写入+1+1+1写入EM:29A:02R:01 R1:01JZ 120E3412若零标志位Z=1，跳转到12H地址。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:34EM:12MOV A,R01008寄存器R0中的值送到累加器A中FFF7EFCBFFFF+1+1写入EM:08A:0CADD R2,A1116寄存器R2中的值加上累加器A的值送到寄存器R2中。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:16W:06D:12 R2:12SHL R01224寄存器R0中的数不带进位左移一位，标志位不改变。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:24 EM:24 A:18L:30 R0:30JMP 06133806无条件跳转到06H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:38EM:06SUB R1,#00H062100寄存器R1减去立即数00H后存入寄存器R1中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:21EM:21 A:01EM:00 W:00D:01 R1:01JZ 15083415若零标志位Z=1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15MOV A,R10A09将寄存器R1中的数存放到累加器A中。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:09EM:09 A:01AND A,#01H0B4001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,标志位改变C7FFEFFFFE93CBFFFF+1+1+1+1写入EM:40EM:01 W:01D:01 A:01SHR R10D29R1寄存器不带进位左移一位，标志位不改变FFF7F7FFF9BFCBFFFF写入+1+1+1写入EM:29A:01R:00 R1:00JZ 120E3412若零标志位Z=1，跳转到12H地址。FFF7F7CBFFFF+1+1写入EM:34EM:12MOV A,R01008寄存器R0中的值送到累加器A中FFF7EFCBFFFF+1+1写入EM:08A:30ADD R2,A1116寄存器R2中的值加上累加器A的值送到寄存器R2中。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:16W:12D:42 R2:42SHL R01224寄存器R0中的数不带进位左移一位，标志位不改变。FFF7F7FFF9DFCBFFFF+1+1+1写入EM:24 EM:24 A:30L:60 R0:60JMP 06133806无条件跳转到06H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:38EM:06SUB R1,#00H062100寄存器R1减去立即数00H后存入寄存器R1中，改变标志位FFF7F7C7FFEFFFFA99CBFFFF+1+1+1+1+1写入EM:21EM:21 A:00EM:00 W:00D:00 R1:00JZ 15083415若零标志位Z=1，跳转到15H地址。C6FFFFCBFFFF写入+1+1写入EM:34EM:15NOP153C空指令，只执行取指令功能CBFFFF+1写入EM:3C2. 除法汇 编 指 令程序地址机器码指令说明微程序PC mPC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:04MOV R0,#43H000443将立即数43H存放到寄存器R0中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:04EM:43 R0:43MOV R1,#0BH020506将立即数06H存放到寄存器R1中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:05EM:06 R1:06MOV R2,#00H040600将立即数00H存放到寄存器R2中。C7FBFFCBFFFF+1+1+1写入EM:06EM:00
