組成原理課設(shè)報告

1、計算機組成原理課程設(shè)計報告目 錄第1章 設(shè)計任務(wù)與要求11.1 設(shè)計內(nèi)容11.2 具體要求11.3 設(shè)計環(huán)境1第2章 總體設(shè)計方案22.1 設(shè)計原理22.2 設(shè)計思路2第3章 詳細設(shè)計方案33.1 設(shè)計邏輯圖33.2 算法流程圖43.3 微指令設(shè)計過程4第4章 測試程序與結(jié)果94.1 測試程序94.2 結(jié)果104.3 出現(xiàn)的問題及解決辦法11第5章 小結(jié)12第6章 參考資料13第1章 設(shè)計任務(wù)與要求1.1 設(shè)計內(nèi)容使用COP2000設(shè)計微指令，并使用設(shè)計的微指令實現(xiàn)定點原碼一位乘。1.2 具體要求通過設(shè)計實現(xiàn)機器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗證，從而握微程序設(shè)計的思想和具體流程、操作方法。利

2、用計算機組成原理實驗儀和仿真軟件，實現(xiàn)定點原碼一位乘。寫出總體設(shè)計方案（包括設(shè)計原理和設(shè)計思路等）和詳細設(shè)計方案。編寫實現(xiàn)乘法的程序進行設(shè)計的驗證。1.3 設(shè)計環(huán)境本實驗是基于COP2000軟件下實現(xiàn)的編程設(shè)計原碼一位乘法器，結(jié)構(gòu)圖中有IE、ST、PC、MAR寄存器，以及ALU,微指令寄存器等。模擬軟件左側(cè)是程序輸入窗口。在COP2000試驗儀上實現(xiàn)編程，所應(yīng)用的編程語言為匯編語言。在偉福試驗儀中有相關(guān)的模型機指令集分為幾大類：算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、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。第2章 總體設(shè)計方案2.1 設(shè)計原理用匯編語言編程實現(xiàn)定點原碼一位乘法器的設(shè)計

3、，采用的算法為原碼一位乘，乘數(shù)和被乘數(shù)規(guī)定為四位，原碼一位乘法器中用了三個寄存器r0,r1和r2,分別存放被乘數(shù)，乘數(shù)和部分積。乘法運算開始時，r2寄存器被清零，作為初始的部分積。被乘數(shù)放在寄存器r0寄存器中，乘數(shù)放在寄存器r1中。實現(xiàn)部分積和被乘數(shù)相加是通過X送加法器和Y送加法器，在加法器中完成的。加法器的輸出經(jīng)過移位電路向右移一位送入r2寄存器中。Y寄存器是用移位寄存器實現(xiàn)的，其低位用作Y送加法器的控制命令。因為原碼一位乘是通過乘數(shù)的最低位是1還是0來確定加數(shù)的，當乘數(shù)的最后一位為1時。部分積加上被乘數(shù)，當乘數(shù)的最后一位為0時，部分積加上0。加法器最低一位的值，在右移的過程中將被移入Y寄存

4、器的最高數(shù)值位，這樣就使積的低位部分被保存在Y寄存器中，最開始的乘數(shù)在逐位右移過程中不斷丟失，直到移位結(jié)束。乘法運算完成以后r2寄存器中保存的數(shù)值是乘積的高位部分，r1寄存器即乘數(shù)寄存器中保存乘積的低位部分。2.2 設(shè)計思路原碼一位乘法器的設(shè)計主要包含如下2個部分：準備階段，分別將被乘數(shù)和乘數(shù)送到寄存器當中，標記為的寄存器初始化為04H,部分積初始化為零；運算階段，看被乘數(shù)的最低位，若為零則不進行運算，X左移一位,Y右移一位，同時C=C-1 ，若最低位為1，則A=X+A, X左移一位,Y右移一位，同時C=C-1,直至C為零時輸出結(jié)果。第3章 詳細設(shè)計方案3.1 設(shè)計邏輯圖 R1 被乘數(shù)BUBU

5、FENJI8位加法器R2 部分積左移一位OUT 輸出結(jié)果右移一位R0 乘數(shù) 圖3.1 設(shè)計邏輯圖3.2 算法流程圖開始乘數(shù)X->R1被乘數(shù)Y->R0標記位C->R3部分積R2->00HR0與01H比較Qn=1?準備(X)+(A)->AX左移Y右移C-1->CC=0?N結(jié)束YNY 運算圖3.2 算法流程圖3.3 微指令設(shè)計過程1. 創(chuàng)建指令系統(tǒng)打開COP2000仿真軟件，點擊“文件”菜單，選擇“新建指令系統(tǒng)/微系統(tǒng)”選項。2. 輸入指令選擇軟件左下角的“指令系統(tǒng)”選項卡，選中一條“注釋”上標明“未使用”的機器碼，在“助記符”和“操作數(shù)1/2”所對應(yīng)的輸入框中輸

6、入相應(yīng)的內(nèi)容，輸入完成后點擊“修改”按鈕。本次實驗所輸入的微系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3 新建的指令微系統(tǒng)輸入的指令集及其功能如下表所示：助記符注釋MOVE R？,#II將立即數(shù)II存放到寄存器R?中MOVE A，R?將寄存器R?的值送到累加器A中MOVE R?,A將累加器A中的值送到寄存器R?中YU A，#II累加器A和立即數(shù)II進行與運算JIA A, R?將寄存器R?的值加入累加器A中JIAN A，#II從累加器中減去立即數(shù)后加入累加器A中ZY A累加器A左移YY A累加器A右移JZ MM若零標志位置1，跳轉(zhuǎn)到MM地址JMP MM跳轉(zhuǎn)到MMSHUCHU將累加器A中數(shù)據(jù)輸出到輸出端口3. 根

7、據(jù)指令功能設(shè)計相應(yīng)的微程序選擇輸入“指令系統(tǒng)”選項卡右側(cè)的“uM微程序”選項。在已經(jīng)輸入注記符的每一條指令點中每一個狀態(tài)欄，將最底部的十二個控制位，根據(jù)所需要實現(xiàn)的功能，將方框內(nèi)去掉對勾，即表示已選擇。下面將具體指令的每個狀態(tài)時刻選擇功能過程截圖，以說明其功能。每條指令的T0時刻均為取指操作，其標記情況如圖3.4所示。 圖3.4 T0時刻取指操作圖示MOVE R?,#II指令的標記情況如圖3.5所示。圖3.5 MOVE R?,#II指令的標記圖示MOVE A，R? 指令的標記情況如圖3.6所示。圖3.6 MOVE A，R? 指令的標記圖示MOVE R?，A 指令的標記情況如圖3.7所示。圖3.

8、7 MOVE R?，A指令的標記圖示YU A，#II指令的標記情況如圖3.8所示。圖3.8 YU A，#II指令的標記圖示JIA A，R? 指令的標記情況如圖3.9所示。圖3.9 JIA A，R? 指令的標記圖示JIAN A，#II 指令的標記情況如圖3.10所示。圖3.10 JIAN A，#II 指令的標記圖示ZY A指令的標記情況如圖3.11所示。圖3.11 ZY A 指令的標記圖示YY A 指令的標記情況如圖3.12所示。圖3.12 YY A 指令的標記圖示JZ MM 指令的標記情況如圖3.13所示。圖3.13 JMP MM 指令的標記圖示JMP MM 指令的標記情況如圖3.14所示。圖

9、3.14 JMP MM 指令的標記圖示SNHUCHU 指令的標記情況如圖3.15所示。圖3.15 SNHUCHU 指令的標記圖示下面以除法為例，詳細說明一下各個控制位的意義以及控制的部分功能。減法指令共分為3個周期，下圖為T2周期的設(shè)計，此指令為立即數(shù)減指令，立即數(shù)減可分為兩步，第一步從EM中讀出立即數(shù)，送到DBUS，并存入工作寄存器W中，從EM中讀數(shù)，EMRD應(yīng)有效（控制位的勾去掉即為有效），讀EM的地址由PC輸出，PCOE要有效，讀出的數(shù)據(jù)要送到DBUS，EMEN應(yīng)有效，數(shù)據(jù)存入W，WEN應(yīng)有效。第二步也是T1周期，是執(zhí)行減法操作，并將結(jié)果存入A中。下0圖為T2周期的設(shè)計，執(zhí)行減法操作，S

10、2S1S0的值應(yīng)為001（減運算），結(jié)果直接輸出到DBUS，X2X1X0的值就要為100（ALU直通），F(xiàn)EN是ALU內(nèi)部標志寄存器，應(yīng)有效，從DBUS將數(shù)據(jù)再存入A中，AEN應(yīng)有效。每條指令的最后一個周期T0的控制位設(shè)計都一樣（如下圖所示）而且這個周期是必須的（下面在介紹其他指令的時候不再一一列舉），因為要從EM中讀出下條將要執(zhí)行的指令的機器碼，并打入IR和uPC中，根據(jù)取指令說明，EMRD,PCOE,IREN要有效。4. 保存指令系統(tǒng)/微程序設(shè)計好微程序后，選擇菜單“文件”，“保存指令系統(tǒng)/微程序”，將設(shè)計好的微程序保存為名字為“趙慶珍”，后綴名為.INS文件，以便下次打開時調(diào)入微程序。第

11、4章 測試程序與結(jié)果4.1 測試程序1. 在源程序窗口輸入下面程序：move r0,#08h ;將立即數(shù)送到r0寄存器中 乘數(shù)move r1,#08h ;被乘數(shù)move r3,#04h ;標志位move r2,#00h;r2寄存器置零move a,r0 ;乘數(shù)送入ayu a,#01h;a與01h比較jz 1eh ;最低位為0，跳轉(zhuǎn)1eh mov a,r0move a,r2;最低位為1時，把部分積存入ajia a,r1;加被乘數(shù)即加xmove r2,a;保存部分積move a,r1;被乘數(shù)送入azy a;左移xmove r1,a;保存xmove a,r3;標記位 送入ajian a,#01h;c

12、=c-1jz 2ch;若為0，跳轉(zhuǎn)2ch mov r2，amove r3,a;保存c到r3move a,r0;乘數(shù)送到ayy a;乘數(shù)右移一位move r0,a;乘數(shù)送到r0jmp 08h;無條件轉(zhuǎn)移08h mov a,r0move a,r0;乘數(shù)送ayy a;乘數(shù)右移一位move r0,a;乘數(shù)保存到r0move a,r1; 被乘數(shù)送到azy a;被乘數(shù)左移一位move r1,a ;保存被乘數(shù)到r1move a,r3;標志位送到ajian a,#01h;c=c-1jz 2ch;若為0，跳轉(zhuǎn)2ch mov r2,amove r3,a;保存c到r3jmp 08h;無條件轉(zhuǎn)移 mov a,r0mo

13、ve a,r2;部分積送入ashuchu2. 保存文件。 選擇菜單文件|保存文件（S）功能，將新建的.ASM文件保存下來，以便以后使用。將文件保存為“Chengfa.ASM”，注意：由于使用的是匯編語言所以保存文件時一定要加上.ASM后綴，否則運行將會出錯或系統(tǒng)不能編譯該文件。4.2 結(jié)果1. 執(zhí)行“單微指令運行”功能，觀察執(zhí)行每條微指令時，數(shù)據(jù)是否按照設(shè)計要求流動，寄存器的輸入/輸出狀態(tài)是否符合設(shè)計要求，各控制信號的狀態(tài)，PC及uPC 如何工作是否正確。2. 輸入一組測試數(shù)據(jù)，例如被乘數(shù)為09H，乘數(shù)為09H，點擊匯編，然后點擊單步運行，觀察到每一步執(zhí)行的結(jié)果，以及執(zhí)行順序均正確，結(jié)果輸出5

14、1，說明匯編程序與程序微指令均無錯誤。運行結(jié)果如圖4.1所示。圖4.1 運行結(jié)果圖4.3 出現(xiàn)的問題及解決辦法1.在設(shè)計微指令程序時，第一次設(shè)計的微指令，執(zhí)行時，程序在第一句匯編語句停止運行，無法執(zhí)行，經(jīng)過查資料以及跟同學(xué)的討論，發(fā)現(xiàn)問題的所在是由于程序沒有入口，在設(shè)計微程序時，應(yīng)該首先將助記符為_FATCH_的指令設(shè)置正確，標記為：CBFFFF。2.在設(shè)計JZ(ZF標記控制的條件轉(zhuǎn)移)，JC(CF標記控制的條件轉(zhuǎn)移)與JMP（無條件轉(zhuǎn)移）時，必須注意占用的機器碼的位置。在硬件設(shè)計時，跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)控制需要指令碼的第3位和第2位IR3,IR2來決定，無條件跳轉(zhuǎn)的控制要求IR3必需為1，所以無條

15、件跳轉(zhuǎn)的機器碼應(yīng)選在機器碼為xxxx1xxx處。在設(shè)計條件轉(zhuǎn)移JZ時，需要指令碼的第3位IR3為0，第2位IR2為1，即機器碼應(yīng)選在xxxx01xx處。條件轉(zhuǎn)移JC，需要指令碼的第3位IR3為0，第2位IR2為1，即機器碼應(yīng)選在xxxx00xx處。PC打入控制電路由一片74HC151八選一構(gòu)成。ELPIR3IR2CyZLDPC1XXXX10001X00000X1001X10001X0101XXX0當ELP=1時,LDPC=1,不允許PC被預(yù)置當ELP=0時，LDPC由IR3,IR2,Cy,Z確定 當IR3IR2=1X時，LDPC=0,PC被預(yù)置 當IR3IR2=0 0時，LDPC=非Cy,當C

16、y=1時，PC被預(yù)置 當IR3IR2=01時，LDPC=非Z,當Z=1時，PC被預(yù)置第5章 小結(jié)這次的組成原理實驗課程設(shè)計歷時不長，除了一周的實習(xí)時間，在課下，我也花了大量的時間去研究有關(guān)此次課程設(shè)計設(shè)的知識。一開始，我并不知道該從何處著手去設(shè)計這個程序，由于組成原理是上學(xué)期所學(xué)的課程，一些知識也有些遺忘，我從最基礎(chǔ)的乘法開始研究，把定點乘法一位乘的原理以及思路認真的構(gòu)思了一遍，在老師的知道下，也通過閱讀老師所給的關(guān)于COP2000的指導(dǎo)書，我逐漸從剛開始不知如何著手去做到后來學(xué)會，寄存器左移右移，如何判斷數(shù)據(jù)末位是否為1等知識，終于獨立地完成了這個設(shè)計任務(wù)。在設(shè)計的過程中，鞏固了所學(xué)的計算機組成原理中有關(guān)匯編語言編程實現(xiàn)定點原碼一位乘方面的知識，同時，也增長了新的知識。組成原理課程設(shè)計使我收獲了很多，首先不僅讓我鞏固了課堂上學(xué)習(xí)的知識點，理論和實踐很好的結(jié)合到了一起，而且還能夠延伸我的知識面，鍛煉了自學(xué)的能力，最重要的是在做成功的那一刻讓我有一種成就感。其次要感謝老師和同學(xué)對我的幫助，幫助我解決了不少難題。在設(shè)計過程中碰到了很多問