計組課設(shè)-微指令的設(shè)計實驗

1、計算機組成原理課程設(shè)計報告班級：計算機/物聯(lián)網(wǎng) 班 姓名： 學(xué)號： 完成時間： 2016.1.14 一、課程設(shè)計目的1在實驗機上設(shè)計實現(xiàn)機器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗證，從而進一步掌握微程序設(shè)計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，綜合理解計算機組成原理課程的核心知識并進一步建立整機系統(tǒng)的概念；3培養(yǎng)綜合實踐及獨立分析、解決問題的能力。二、課程設(shè)計的任務(wù)針對COP2000實驗儀，從詳細(xì)了解該模型機的指令/微指令系統(tǒng)入手，以實現(xiàn)乘法和除法運算功能為應(yīng)用目標(biāo)，在COP2000的集成開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計全新的指令系統(tǒng)并編寫對應(yīng)的微程序；之后編寫實現(xiàn)乘法和除法

2、的程序進行設(shè)計的驗證。三、 課程設(shè)計使用的設(shè)備（環(huán)境）1硬件l COP2000實驗儀l PC機2軟件l COP2000仿真軟件四、課程設(shè)計的具體內(nèi)容（步驟）1詳細(xì)了解并掌握COP 2000模型機的微程序控制器原理，通過綜合實驗來實現(xiàn)該模型機指令系統(tǒng)的特點： 從指令字長來看該模型機指令系統(tǒng)包含單字長和雙字長兩種格式的指令，字長為8位，對于需要訪問內(nèi)存的指令都是雙字長的，指令系統(tǒng)中大多數(shù)指令是單字長；從指令操作碼是定長和變長來看，這里認(rèn)為，雖然ADD A, R?和ADD A, R?都是執(zhí)行加法操作，但他們是不同的指令，將指令格式中尋址寄存器的兩位也認(rèn)為是操作碼的一部分，這兩條指令的操作碼不同。因此

3、，指令系統(tǒng)的指令格式是定長操作碼的，操作碼為6位。1)雙字長的指令格式如下：AOP R？舉例： 助記符 機器碼1 機器碼2 ADD A, MM 000110xx MM ADD A, #II 000111xx II MOV A, MM 011110xx MM2)單字長的指令格式如下：OP R？舉例：助記符 機器碼1 機器碼2 ADD A, R? 000100xx OR A, R? 011000xx MOV R?, A 100000xx 該模型機微指令系統(tǒng)的特點（包括其微指令格式的說明等）：該模型機微指令系統(tǒng)的微指令格式是水平型微指令，微指令的字長為24位，是機器字長的3倍，每條微指令僅包含微操作

4、控制字段，無順序控制字段。操作控制字段的每一位對應(yīng)一個微操作，采用字段直接譯碼的方式對系統(tǒng)進行控制。微指令的具體格式如下：IRENPCOES0S1S2AENWENX0X1X2FENCNRWRRRDSTENOUTENMAROEMARENELPEINTEMENEMRDEMWRXRD舉例：微指令CBFFFF：取指令110010111111111111111111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將程序計數(shù)器PC的值送到地址總線AB

5、US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和微指令計數(shù)器PC。EINT中斷返回時清除中斷響應(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。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

6、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決定運算器是否帶進位移位，CN=1帶進位，CN=0不帶進位。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做何種運算。S1S0COP2000中有7個寄存器可以向數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù), 但在某一特定時刻只能有一個寄存器輸出數(shù)據(jù). 由X2,X1,X0決定那一個寄存器輸出數(shù)據(jù)。X2 X1 X0輸出寄存器0

7、 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中的運算器由一片EPLD實現(xiàn). 有8種運算, 通過S2,S1,S0來選擇。運算數(shù)據(jù)由寄存器A及寄存器W給出, 運算結(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 1 1A&W 與1 0 0A+W+C 帶進位加1 0 1A-W-C 帶進位減1 1 0A A取反1 1 1A 輸出A2. 計算機中實現(xiàn)乘法和

8、除法的原理（1）無符號乘法算法流程圖：硬件原理框圖：（2）無符號除法算法流程圖：硬件原理框圖：3對應(yīng)于以上算法如何分配使用COP2000實驗儀中的硬件（初步分配，設(shè)計完成后再將準(zhǔn)確的使用情況填寫在此處）1）乘法程序的硬件分配：硬件名稱在乘法算法中的功能R01用來存放被乘數(shù)2保存乘積結(jié)果R1用來存放乘數(shù)R2未使用R3用做計數(shù)器，來控制程序循環(huán)次數(shù)A1、存放中間結(jié)果2、用來存放操作數(shù)參加ALU的運算W用來存放操作數(shù)參加ALU的運算PC程序計數(shù)器EM內(nèi)存（存放程序）IR指令寄存器ST堆棧寄存器，可以用來暫存寄存器A的值MAR地址寄存器2）除法程序的硬件分配硬件名稱在除法運算中的功能R0用來存放被除數(shù)

9、R1用來存放除數(shù)R2用來存放商R31用作計數(shù)器，控制循環(huán)的次數(shù)2保存余數(shù)A1、存放中間數(shù)據(jù)2、用來存放操作數(shù)參加ALU的運算W用來存放操作數(shù)參加ALU的運算PC程序計數(shù)器EM內(nèi)存（存放程序）IR指令寄存器ST堆棧寄存器，可以用來暫存寄存器A的值MAR地址寄存器4在COP2000集成開發(fā)環(huán)境下設(shè)計全新的指令/微指令系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果如表所示（可按需要增刪表項）（1） 新的指令集（如果針對乘除法設(shè)計了兩個不同指令集要分別列表）助記符 機器碼1 機器碼2 指令說明 _FATCH_ 000000XX 實驗機占用，不可修改。復(fù)位后，所有寄存器清0，首先執(zhí)行 _FATCH_ 指令取指MOV R?,#II0000

10、01XXII將立即數(shù)II送到寄存器R?中MOV R?,A000010XX將累加器A的值送到寄存器R？中MOV A,R?000011xx將寄存器R？的值送入累加器A中AND A，#II000100xxII將立即數(shù)與累加器A中的數(shù)相與AND R？，#II000101xxII將立即數(shù)與寄存器R?中的數(shù)相與SHR R？000110xx寄存器R？帶進位右移SHL R？000111xx寄存器R？帶進位左移JC MM001000xxMM若進位標(biāo)志置1，跳轉(zhuǎn)到MM地址JZ MM001001xxMM若零標(biāo)志置1，跳轉(zhuǎn)到MM地址ADD R?，#II001010xxII將寄存器R？中的數(shù)與立即數(shù)相加ADD A,R？

11、001011xx將累加器與寄存器R?相加，結(jié)果存入累加器SUB R？，#II001100xxII將寄存器R？中的值與立即數(shù)相減SUB A,R?001101xx將累加器與寄存器R？的值相減，結(jié)果存入累加器CMP A，R？001110xx累加器與寄存器R？的值比較，結(jié)果影響進位、零標(biāo)志JMP MM001111xxMM無條件跳轉(zhuǎn)到MM處PUSH A010000xx將累加器中的值暫存POP A010001xx將暫存結(jié)果送回到累加器A中SHRN R?010010xx寄存器R?不帶進位右移SHLN R?010011xx寄存器R?不帶進位左移TEST 010100xx（2） 新的微指令集助記符 狀態(tài) 微地址

12、 微程序 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)打入 地址輸出 運算器 移位控制 uPC PC _FATCH_ T000CBFFFFF指令寄存器IR PC輸出 A輸出 寫入+101FFFFFFA輸出+102FFFFFFA輸出+103FFFFFFA輸出+1MOV R?,#IIT104C7FBFF存儲器EM寄存器R？PC輸出A輸出+1+1T005CBFFFF指令寄存器PC輸出A輸出寫入+106FFFFFFA輸出+107FFFFFFA輸出+1MOV R?，AT108FFFB9FALU直通寄存器R？A輸出+1T009CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+10AA輸出+10BA輸出+1MOV A,R?T1OCFFF7F

13、7寄存器值R？寄存器AA輸出T0ODCBFFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+10EFFFFFFA輸出+10FFFFFFFA輸出+1AND A,#IIT210C&7FFEF存儲器值EM寄存器WPC輸出A輸出+1+1T111FFFE93ALU直通寄存器A標(biāo)志位C、Z與運算+1T012CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+113FFFFFFA輸出+1AND R?,#IIT314C7FFEF存儲器EM寄存器WPC輸出A輸出+1+1T215FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA輸出+1T116FFFA9BALU直通寄存器R？標(biāo)志位C、Z與運算+1T017CBFFFF指令寄存器IRP

14、C輸出A輸出+1+1SHR R?T318FFEF9FALU直通堆棧寄存器STA輸出+1T219FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA輸出+1T11AFFFABFALU右移寄存器R？標(biāo)志位C、ZA輸出帶進位右移+1T01BCBFF57堆棧寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1SHL R?T31CFFEF9FAlU直通推展寄存器STA輸出+1T21DFFF7F7寄存器值R?寄存器AA輸出+1T11EFFFADFALU左移寄存器R？標(biāo)志位C、ZA輸出帶進位左移+1T01FCBFF57堆棧寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1JC MMT120C6FFFF存儲器值EM寄存

15、器PCPC輸出A輸出+1+1T021CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+122FFFFFFA輸出+123FFFFFFA輸出+1JZ MMT124C6FFFF存儲器值EM寄存器PCPC輸出A輸出+1+1T025CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+126FFFFFFA輸出+127FFFFFFA輸出+1ADD R?,#IIT328FFF7F7寄存器值R？寄存器AA輸出+1T229C7FFEF存儲器值EM寄存器WPC輸出A輸出+1+1T12AFFFA98ALU直通寄存器R？標(biāo)志位C、Z加運算+1T02BCBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1ADD A,R?T22CFFF7

16、EF寄存器值R？寄存器WA輸出+1T12DFFFE90ALU直通寄存器R？標(biāo)志位C、Z加運算+1T02ECBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+12FFFFFFFA輸出+1SUB R?,#IIT330FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA輸出+1T231C7FFEF存儲器值EM寄存器WPC輸出A輸出+1+1T132FFFA99ALU直通寄存器R？標(biāo)志位C、Z減運算+1T033CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1SUB A,R?T234FFF7EF寄存器值R？寄存器WA輸出+1T135FFFE91ALU直通寄存器A標(biāo)志位C、Z減運算+1T036CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A

17、輸出寫入+137FFFFFFA輸出+1CMP A,R?T338FFF7EF寄存器值R？寄存器WA輸出+1T239FFEF9FALU直通堆棧寄存器STA輸出+1T13AFFFE91ALU直通寄存器A標(biāo)志位C、Z減運算+1T03BCBFF57堆棧寄存器寄存器A指令寄存器IRPC輸出A輸出+1+1JMP MMT13CC6FFFF存儲器EM寄存器PCPC輸出A輸出+1+1T03DCBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+13EFFFFFFA輸出+13FFFFFFFA輸出+1PUSH AT140FFEF9FALU直通堆棧寄存器STA輸出+1T041CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+142

18、FFFFFFA輸出+143FFFFFFA輸出+1POP AT144FFFF57堆棧寄存器ST寄存器AA輸出+1T045CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+146FFFFFA輸出+147FFFFFA輸出+1SHRN R?T348FFEF9FALU直通堆棧寄存器STA輸出+1T249FFF7F7寄存器值R?寄存器AA輸出+1T14AFFF9BFALU右移寄存器R？A輸出右移+1T04BCBFF57堆棧寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1SHLN R?T34CFFEF9FALU直通堆棧寄存器STA輸出+1T24DFFF7F7寄存器值R？寄存器AA輸出+1T14EFFF9D

19、FALU左移寄存器R？A輸出左移+1T04FCBFF57堆棧寄存器寄存器A指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1TEST R?T350C7FFEF存儲器值EM 寄存器WPC輸出A輸出+1T251FFF7F7寄存器值R？寄存器AA輸出+1T152FFFE93ALU直通寄存器A標(biāo)志位C與運算+1T053CBFFFF指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+15用設(shè)計完成的新指令集編寫實現(xiàn)無符號二進制乘法、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：1）流程圖如下：2）匯編語言程序清單如下：MOV R3#0FH 將A賦值，用于比較MOV A,R3MOV R0,#0FH-被乘數(shù)在R0

20、中TEST R0,#0FH 判斷被乘數(shù)是否為0，是則結(jié)束 JZ T3 判斷被乘數(shù)是否溢出，是則結(jié)束CMP A,R0 JC T3MOV R1,#0FH-乘數(shù)在R1中TEST R1,#0FH 判斷乘數(shù)是否為0，是則結(jié)束 JZ T3CMP A,R1 判斷乘數(shù)是否溢出，是則結(jié)束MOV R3,#04HAND A,#00HLOOP1: SHR R1 JC T1 JMP LOOP2T1:ADD A,R0LOOP2:SHLN R0 PUSH A SUB R3,#01H POP A JZ T2 JMP LOOP1T2:MOV R0,A-乘積結(jié)果在R0中 JMP EN T3:MOV R0,#00H EN:END

21、JMP END（2）除法 4位除法的算法流程圖與匯編語言程序清單：1）算法流程圖如下1）算法流程圖如下2）匯編語言程序清單如下：MOV R0,#87H-被除數(shù)在R0中MOV R1,#0DH-除數(shù)在R1中MOV R3,#04HAND R2,#00H-商在R2中TEST R1，#0FHJZ FLSHLN R1SHLN R1SHLN R1SHLN R1MOV A,R0CMP A,R1JC T1JMP FLT1: SHRN R1 SHLN R2 CMP A,R1 JC T2 SUB A,R1 PUSH A ADD R2,#01H POP AT2:PUSH A SUB R3,#01H POP A JZ

22、QT JMP T1QT:MOV R3,A-余數(shù)保存在R3中 JMP ENFL：MOV R2，#0FFH 報錯處理R2為0FFHEN：END JMP EN6上述程序的運行情況（跟蹤結(jié)果）按下表填寫描述以上各程序運行情況的內(nèi)容。按每個程序一張表進行。程序運行的過程1）乘法程序運行的過程2）除法程序運行的過程7設(shè)計結(jié)果說明調(diào)試運行程序時是否出現(xiàn)問題，是否有重新調(diào)整指令/微指令系統(tǒng)設(shè)計的情況出現(xiàn)？請在此做具體說明。答：出現(xiàn)了問題。 之前沒考慮到除數(shù)為0的異常操作，故操作中少了TEST R？，#II；之后補齊操作TEST R？，#II微程序：C7FFEFFFF7F7FFFE93CBFFFF 在設(shè)計MOV

23、 R？，#II指令時，EMRD沒置低位，使程序在仿真上能運行，但在機器上運行時會置數(shù)FFH，之后EMRD置0后，在機器上正常運行。五、本次課程設(shè)計的總結(jié)體會（不少于200字） 主要總結(jié)學(xué)到的具體知識、方法及設(shè)計中的切身體會；包括列出在設(shè)計的各個階段出現(xiàn)的問題及解決方法。1）加深了對指令系統(tǒng)、微指令系統(tǒng)的理解，自己親自設(shè)計乘法和除法的指令系統(tǒng)，首先要了解指令的格式，包括單字長和雙字長的指令，以及在指令設(shè)計時操作碼和地址碼的設(shè)計，運用何種尋址方式等等；通過設(shè)計微指令系統(tǒng)，了解微指令的格式，微指令控制部分的設(shè)計，以及如何設(shè)計與指令對應(yīng)的微指令程序。2）綜合理解計算機組成原理課程的核心知識并進一步建立整機系統(tǒng)的概念通過微程序控制器的設(shè)計，進一步了解了控制器如何控制各個部件的協(xié)同工作，通過有時序的讀取一系列的微指令，產(chǎn)生對應(yīng)于各個部件的控制信號，使各個部件產(chǎn)