2022年东北大学计算机组成原理课程设计.pdf

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1、计算机组成原理课程设计报告班级： 09 计算机 04 班姓名：学号：完成时间： 2012 年 1 月 4 日星期三一、 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

2、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 总体概述精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 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

3、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

4、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

5、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,R0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MOV A,R1将寄存器R1 的值作为地精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 器 EM中， 数据的地址在寄存器 R0-R3 中址，把存储器EM中该地址的内容送入累加

6、器A中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。ANDA,40H将存储器EM中 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为指令的操作数。SUB A,#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、

7、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）表 2 微指令控制信号的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，从指定外设读数精品资料 - - - 欢迎下载 - - - -

8、- - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 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

9、 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

10、 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精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 器输出数据 . 由 X2,X1,X0 决定那一个寄存器输出数据。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

11、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 A2。计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法（1）无符号乘法实例演示（即，列4 位乘法具体例子演算的

12、算式）：被乘数为 1001（二进制），即为十进制的9；乘数为0110（二进制），即为十进制的6。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 那么，可以通过笔算得到：10000111=00110110即十进制运算结果为：87=56无符号乘法的实例演示如图1 所示：1 0 0 0 ；被乘数 0 1 1 1 ；乘数 0 0 0 0 ；初始值（零） 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左；移一位，乘数右移一位。 1 0

13、0 0 ；部分积 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左；移一位，乘数右移一位。 1 1 0 0 0 ；部分积 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左；移一位，乘数右移一位。 1 1 1 0 0 0 ；部分积 0 0 0 0 （0） ；乘数最低位为0，部分积加0，被乘数左移一；位，乘数右移一位。（0） 0 1 1 1 0 0 0 ；计算完毕，结果为00111000 即： 10000111=00111000图 1 无符号乘法实例演示硬件原理框图：精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳

14、- - - - - - - - - -第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 图 2 无符号乘法的硬件原理框图在模型机上实现无符号数乘法运算时，采用“加法移位” 的重复运算方法。那么，无符号乘法的硬件原理框图如图2 所示。算法流程图：在模型机上实现无符号数乘法运算时，采用“加法移位”的重复运算方法。因此，无符号乘法的算法流程图如图3 所示。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - - （2）无符号除法实例演示（即，列

15、4 位除法具体例子演算的算式） ：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）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）精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - - （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（2）新的微指令集助记符状态微地址微程序数据输出数据

16、打入地址输出运算器移位控制PCPC精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 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4 位乘法的算法流程图与汇编语言程序清单：（2）除法（选作）4 位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：6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

17、值精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 7设计结果说明调试运行程序时是否出现问题，是否有重新调整指令/ 微指令系统设计的情况出现请在此做具体说明。五、本次课程设计的总结体会（不少于200 字）主要总结学到的具体知识、方法及设计中的切身体会；包括列出在设计的各个阶段出现的问题及解决方法。（以上红色字内容为由设计者完成并填写）精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - - -