計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告班級：09計(jì)算機(jī)04班 姓名： 學(xué)號：完成時(shí)間： 2012年1月4日星期三 一、課程設(shè)計(jì)目的1在實(shí)驗(yàn)機(jī)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗(yàn)證，從而進(jìn)一步掌握微程序設(shè)計(jì)控制器的基本方法并了解指令系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系；2通過控制器的微程序設(shè)計(jì)，綜合理解計(jì)算機(jī)組成原理課程的核心知識并進(jìn)一步建立整機(jī)系統(tǒng)的概念；3培養(yǎng)綜合實(shí)踐及獨(dú)立分析、解決問題的能力。二、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)針對cop2000實(shí)驗(yàn)儀，從詳細(xì)了解該模型機(jī)的指令/微指令系統(tǒng)入手，以實(shí)現(xiàn)乘法和除法運(yùn)算功能為應(yīng)用目標(biāo)，在cop2000的集成開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)全新的指令系統(tǒng)并編寫對應(yīng)的微程序；之后編寫實(shí)現(xiàn)乘法和除

2、法的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。三、 課程設(shè)計(jì)使用的設(shè)備（環(huán)境）1硬件l cop2000實(shí)驗(yàn)儀l pc機(jī)2軟件l cop2000仿真軟件四、課程設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容（步驟）1詳細(xì)了解并掌握cop 2000模型機(jī)的微程序控制器原理，通過綜合實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn) 總體概述cop2000模型機(jī)包括了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)cpu所具備所有部件，這些部件包括：運(yùn)算器alu、累加器a、工作寄存器w、左移門l、直通門d、右移門r、寄存器組r0-r3、程序計(jì)數(shù)器pc、地址寄存器mar、堆棧寄存器st、中斷向量寄存器ia、輸入端口in、輸出端口寄存器out、程序存儲器em、指令寄存器ir、微程序計(jì)數(shù)器upc、微程序存儲器um，以及中斷控制電路、跳轉(zhuǎn)

3、控制電路。其中運(yùn)算器和中斷控制電路以及跳轉(zhuǎn)控制電路用cpld來實(shí)現(xiàn)，其它電路都是用離散的數(shù)字電路組成。微程序控制部分也可以用組合邏輯控制來代替。 模型機(jī)為8位機(jī)，數(shù)據(jù)總線、地址總線都為8位，但其工作原理與16位機(jī)相同。相比而言8位機(jī)實(shí)驗(yàn)減少了煩瑣的連線，但其原理卻更容易被學(xué)生理解、吸收。模型機(jī)的指令碼為8位，根據(jù)指令類型的不同，可以有0到2個(gè)操作數(shù)。指令碼的最低兩位用來選擇r0-r3寄存器，在微程序控制方式中，用指令碼做為微地址來尋址微程序存儲器，找到執(zhí)行該指令的微程序。而在組合邏輯控制方式中，按時(shí)序用指令碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制位。在本模型機(jī)中，一條指令最多分四個(gè)狀態(tài)周期，一個(gè)狀態(tài)周期為一個(gè)時(shí)鐘脈沖

4、，每個(gè)狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)模型機(jī)的各種功能。模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸出，選擇運(yùn)算器的運(yùn)算功能，存儲器的讀寫。模型機(jī)的缺省的指令集分幾大類： 算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、跳轉(zhuǎn)指令、中斷返回指令、輸入/輸出指令。 模型機(jī)的尋址方式表1 模型機(jī)的尋址方式模型機(jī)的尋址方式尋址方式說明指令舉例指令說明累加器尋址操作數(shù)為累加器acpl a將累加器a的值取反隱含尋址累加器aout將累加器a的值輸出到輸出端口寄存器out寄存器尋址參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在r0r3的寄存器中add a,r0將寄存器r0的值加上累加器a的值，再存入累加器a中寄存器間接尋址參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)

5、在存儲器em中，數(shù)據(jù)的地址在寄存器r0-r3中mov a,r1將寄存器r1的值作為地址，把存儲器em中該地址的內(nèi)容送入累加器a中存儲器直接尋址參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在存儲器em中，數(shù)據(jù)的地址為指令的操作數(shù)。and a,40h將存儲器em中40h單元的數(shù)據(jù)與累加器a的值作邏輯與運(yùn)算，結(jié)果存入累加器a立即數(shù)尋址參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)為指令的操作數(shù)。sub a,#10h從累加器a中減去立即數(shù)10h，結(jié)果存入累加器a（2）該模型機(jī)微指令系統(tǒng)的特點(diǎn)（包括其微指令格式的說明等）： 總體概述該模型機(jī)的微命令是以直接表示法進(jìn)行編碼的，其特點(diǎn)是操作控制字段中的每一位代表一個(gè)微命令。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，其輸出直接用于控制。

6、缺點(diǎn)是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。 微指令格式的說明模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸出，選擇運(yùn)算器的運(yùn)算功能，存儲器的讀寫。微程序控制器由微程序給出24位控制信號，而微程序的地址又是由指令碼提供的，也就是說24位控制信號是由指令碼確定的。該模型機(jī)的微指令的長度為24位，其中微指令中只含有微命令字段，沒有微地址字段。其中微命令字段采用直接按位的表示法，哪位為0，表示選中該微操作，而微程序的地址則由指令碼指定。這24位操作控制信號的功能如表2所示：（按控制信號從左到右的順序依次說明）表2 微指令控制信號的功能操作控制信號控 制 信 號 的 說 明xrd外部設(shè)備讀信號，當(dāng)給出了

7、外設(shè)的地址后，輸出此信號，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。emwr程序存儲器em寫信號。emrd程序存儲器em讀信號。pcoe將程序計(jì)數(shù)器pc的值送到地址總線abus上。emen將程序存儲器em與數(shù)據(jù)總線dbus接通，由emwr和emrd決定是將dbus數(shù)據(jù)寫到em中，還是從em讀出數(shù)據(jù)送到dbus。iren將程序存儲器em讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器ir和微指令計(jì)數(shù)器pc。eint中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請求標(biāo)志，便于下次中斷。elppc打入允許，與指令寄存器的ir3、ir2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。maren將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)打入地址寄存器mar。maroe將地址寄存器mar的值送到地址總線abus上

8、。outen將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器out里。sten將數(shù)據(jù)總線dbus上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器st中。rrd讀寄存器組r0r3，寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。rwr寫寄存器組r0r3，寄存器r?的選擇由指令的最低兩位決定。cn決定運(yùn)算器是否帶進(jìn)位移位，cn=1帶進(jìn)位，cn=0不帶進(jìn)位。fen將標(biāo)志位存入alu內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。x2x2、x1、x0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到dbus上的寄存器。x1x0wen將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入工作寄存器w中。aen將數(shù)據(jù)總線dbus的值打入累加器a中。s2s2、s1、s0三位組合決定alu做何種運(yùn)算。s1s0cop2000中有7個(gè)

9、寄存器可以向數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù), 但在某一特定時(shí)刻只能有一個(gè)寄存器輸出數(shù)據(jù). 由x2,x1,x0決定那一個(gè)寄存器輸出數(shù)據(jù)。x2 x1 x0輸出寄存器0 0 0in_oe 外部輸入門0 0 1ia_oe 中斷向量0 1 0st_oe 堆棧寄存器0 1 1pc_oe pc寄存器1 0 0d_oe 直通門1 0 1r_oe 右移門1 1 0l_oe 左移門1 1 1沒有輸出cop2000中的運(yùn)算器由一片epld實(shí)現(xiàn). 有8種運(yùn)算, 通過s2,s1,s0來選擇。運(yùn)算數(shù)據(jù)由寄存器a及寄存器w給出, 運(yùn)算結(jié)果輸出到直通門d。s2 s1 s0功能0 0 0a+w 加0 0 1a-w 減0 1 0a|w 或0

10、1 1a&w 與1 0 0a+w+c 帶進(jìn)位加1 0 1a-w-c 帶進(jìn)位減1 1 0a a取反1 1 1a 輸出a2。計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)乘法和除法的原理（1）無符號乘法（1）無符號乘法實(shí)例演示（即，列4位乘法具體例子演算的算式）：被乘數(shù)為1001（二進(jìn)制），即為十進(jìn)制的9；乘數(shù)為0110（二進(jìn)制），即為十進(jìn)制的6。那么，可以通過筆算得到：10000111=00110110即十進(jìn)制運(yùn)算結(jié)果為：87=56 無符號乘法的實(shí)例演示如圖1所示： 1 0 0 0 ；被乘數(shù) 0 1 1 1 ；乘數(shù) 0 0 0 0 ；初始值（零） 1 0 0 0 （1） ；乘數(shù)最低位為1，部分積加被乘數(shù)，被乘數(shù)左；移一位，乘數(shù)右

11、移一位。 1 0 0 0 ；部分積 1 0 0 0 （1） ；乘數(shù)最低位為1，部分積加被乘數(shù)，被乘數(shù)左；移一位，乘數(shù)右移一位。 1 1 0 0 0 ；部分積 1 0 0 0 （1） ；乘數(shù)最低位為1，部分積加被乘數(shù)，被乘數(shù)左；移一位，乘數(shù)右移一位。 1 1 1 0 0 0 ；部分積 0 0 0 0 （0） ；乘數(shù)最低位為0，部分積加0，被乘數(shù)左移一；位，乘數(shù)右移一位。 （0） 0 1 1 1 0 0 0 ；計(jì)算完畢，結(jié)果為00111000 即：10000111=00111000圖1 無符號乘法實(shí)例演示硬件原理框圖：圖2 無符號乘法的硬件原理框圖在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)無符號數(shù)乘法運(yùn)算時(shí)，采用“加法移位”

12、的重復(fù)運(yùn)算方法。那么，無符號乘法的硬件原理框圖如圖2所示。算法流程圖：在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)無符號數(shù)乘法運(yùn)算時(shí)，采用“加法移位”的重復(fù)運(yùn)算方法。因此，無符號乘法的算法流程圖如圖3所示。（2）無符號除法實(shí)例演示（即，列4位除法具體例子演算的算式）：硬件原理框圖：算法流程圖：3對應(yīng)于以上算法如何分配使用cop2000實(shí)驗(yàn)儀中的硬件（初步分配，設(shè)計(jì)完成后再將準(zhǔn)確的使用情況填寫在此處）4在cop2000集成開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)全新的指令/微指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如表所示（可按需要增刪表項(xiàng)）（1） 新的指令集（設(shè)計(jì)兩個(gè)不同指令集要分別列表）助記符機(jī)器碼1機(jī)器碼2指令說明（2） 新的微指令集助記符狀態(tài)微地址微程序數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)打入地址輸出運(yùn)算器移位控制mpcpc5用設(shè)計(jì)完成的新指令集編寫實(shí)現(xiàn)無符號二進(jìn)制乘法、除法功能的匯編語言程序（1）乘法4位乘法的算法流程圖與匯編語言程序清單：（2）除法（選作） 4位除法的算法流程圖與匯編語言程序清單：6上述程序的運(yùn)行情況（跟蹤結(jié)果）按下表填