計算機組成原理課程設計報告江蘇大學軟件工程

1、. . . . 大學 計算機組成原理課程設計報告 專業(yè)名稱： 軟件工程班級學號：軟件1001第一天 取操作數(shù)微程序的設計和調試1、 設計目標 設計并調試取操作數(shù)的微程序二、取操作數(shù)微流程三、測試程序、數(shù)據(jù)與運行結果1、測試容：立即尋址，直接尋址運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令0000077A 5678 0010MOV #5678H，0010H運行結果與分析：從微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-01B01F-024-025-026-007，是直接尋址方式，最后是執(zhí)

2、行階段，007-044-047-072-000，將結果mov到存里。2、測試容：立即尋址，寄存器運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令00000761 5678 MOV #5678H，R1運行結果與分析：從微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-044-046-000，將結果mov到寄存器里。由GRS可以看出最終結果由0000變成了5678。4、 設計中遇到的問題與解決辦法 才開始的時候，對軟件的應用不是很熟悉，遇到

3、一些麻煩，在同學的幫助下，解決了軟件應用問題。第二天 運算指令的微程序設計與調試1、 設計目標 設計并調試運算指令的微程序。二、運算指令微程序入口地址指令助記符指 令 編 碼入口地址（H）FEDCBA9876543210MOVsrc, dst000001源地址碼目的地址碼044ADDsrc, dst000010源地址碼目的地址碼048ADDCsrc, dst000011源地址碼目的地址碼04CSUB src, dst000100源地址碼目的地址碼050SUBBsrc, dst000101源地址碼目的地址碼054CMPsrc, dst000110源地址碼目的地址碼058ANDsrc, dst00

4、0111源地址碼目的地址碼05COR src, dst001000源地址碼目的地址碼060XORsrc, dst001001源地址碼目的地址碼064TESTsrc, dst001010源地址碼目的地址碼068INC dst00000010001目的地址碼0A4DECdst00000010010目的地址碼0A8NOTdst00000010011目的地址碼0AC三、運算類指令微程序微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注釋00700000800OP4XXX指令執(zhí)行入口0489870006FTRoe, ADD, Sce, PSWce006FADD04C98B0006FTRoe,ADDC,SV,PSW

5、ce006FADDC05098F0006FTRoe,SUB,SV,PSWce006FSUB06F00000E707070存結果07068000000Soe,GRSce0000ALU運算，結果送寄存器07160030072Soe,DRce0072結果送存儲器07200052000DRoe,ARoe,WR0000四、測試程序、數(shù)據(jù)與運行結果1、測試容：ADD運算運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令000000020761 56780B61 F000MOV #5678H，R1ADD #F000, R1運行結果與分析：從微地址可以看出，第一階段先是取第一條指令（MOV #5678H，R1）001

6、-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-044-046-000，將結果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000變成了5678。第二階段先是取第二條指令（ADD #F000, R1）001-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-048-04F-070-000，是ADD運算，結果存放在寄存器GRS中，可以看出結

7、果為4678，并且產(chǎn)生進位，SZOC=0001，正確。五、設計中遇到的問題與解決辦法 指令的入口地址開始時沒看懂，在同學的點撥下明白了。再是寫微程序階段，完成微程序的輸入后，輸入時由于不太仔細有一些錯誤，經(jīng)過調試發(fā)現(xiàn)并改正了錯誤。經(jīng)過對每條運算的測試，一些結果不對，在自己的一步一步的查找中，通過和同學的微程序的對照，一一弄懂并改正了。第三天 CPU硬件的初級設計與驗證一、設計目標 在運算器實驗的基礎上對硬件進行擴充，建立初級CPU的數(shù)據(jù)通路，構造一個只支持運算指令的初級CPU。二、硬件設計1、PC模塊設計（加上適當注釋）module PC(d,q,n_reset,clk,ce,PCinc);

8、input 15:0 d; input n_reset,clk,ce; input PCinc; output 15:0 q; reg 15:0 data;always (posedge clk or negedge n_reset) beginif (!n_reset)data = 0; else if (ce)data = d;else if(PCinc)data = data+1; endassign q = data;endmodule2、IR模塊設計module IR #(parameter DATAWIDTH=16)(input wire DATAWIDTH-1:0 d, inpu

9、t wire clk, input wire ce, input n_reset, output reg DATAWIDTH-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) beginif (!n_reset)q = 0; else if (ce)q = d;endDR:module DR #(parameter DATAWIDTH=16)(input wire DATAWIDTH-1:0 data_IB, input wire DATAWIDTH-1:0 data_DB, input wire clk, input wire DRce_IB, in

10、put wire DRce_DB, input n_reset, output reg DATAWIDTH-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) begin if(!n_reset)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else if(DRce_DB)q=data_DB;endendmodule3、頂層模塊設計（自己增加的設計部分）/TR/TR寄存器的實例化R #(DATAWIDTH) TR(.q(TR_out),.d(IB),.clk(clock),.ce(TRce),.n_reset(n_reset);buffer

11、 #(DATAWIDTH) reg_buffer(.q(IB), .d(TR_out), .oe(TRoe);/ AR/AR寄存器的實例化R #(DATAWIDTH) AR(.q(AR_out),.d(IB),.clk(clock),.ce(ARce),.n_reset(n_reset);buffer #(ADDRWIDTH) AR_AB(.q(AB), .d(AR_out), .oe(ARoe_AB);buffer #(ADDRWIDTH) AR_IB(.q(IB), .d(AR_out), .oe(ARoe_IB);/IR/IR寄存器的實例化R #(DATAWIDTH) IR(.q(IR_

12、out),.d(IB),.clk(clock),.ce(IRce),.n_reset(n_reset);/PCPC PC(.d(IB), .q(PC_out), .n_reset(n_reset), .clk(clock), .ce(PCce), .PCinc(PCinc);buffer #(DATAWIDTH) PC_buffer(.q(IB), .d(PC_out), .oe(PCoe);/DRDR #(DATAWIDTH) DR(.q(DR_out), .data_IB(IB), .data_DB(DB), .clk(clock), .DRce_IB(DRce_IB), .DRce_DB

13、(DRce_DB), .n_reset(n_reset);buffer #(DATAWIDTH) DR_DB(.q(DB), .d(DR_out), .oe(DRoe_DB);buffer #(DATAWIDTH) DR_IB(.q(IB), .d(DR_out), .oe(DRoe_IB);三、驗證1、測試容：ADD運算運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令000000020761 56780B61 F000MOV #5678H，R1ADD #F000, R1結果和第二天的一樣，說明硬件擴充正確。四、設計中遇到的問題與解決辦法 在寫TR,AR,IR的實例化代碼時，沒注意是用寄存器模塊R實

14、例化得到的，經(jīng)過報錯和仔細看書后，發(fā)現(xiàn)了問題，成功改正過來了。完成程序運行出了問題，經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)是DR模塊出了問題，if(!n_reset)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else if(DRce_DB)q=data_DB;這一句被我寫成了if(!n_reset)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else q=data_DB。第四天 為CPU擴充轉移指令一、設計要求 在初級CPU的基礎上進行功能擴充，使其支持轉移類指令二、硬件uAG模塊設計（自己修改的設計部分，加上適當注釋）3d3:uAGout = NA8:1,BM3_uAR0; /3,根

15、據(jù)條件轉移指令操作碼PSW的ZF,OF,SF,CF狀態(tài)標志決定微地址/第四天always(SZOC, IR) begin case(IR7:6)/ 條件轉移類指令 2b00: Flag_MUX=SZOC0; 2b01: Flag_MUX=SZOC1; 2b10: Flag_MUX=SZOC2; 2b11: Flag_MUX=SZOC3; default:Flag_MUX002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-044-046-000，將結果mov到寄存器里

16、。在GRS可以看出由0000變成了5678。第二階段先是取第二條指令（ADD #F000, R1）001-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-048-04F-070-000，是ADD運算，結果存放在寄存器GRS中，可以看出結果為4678，并且產(chǎn)生進位，SZOC=0001，正確。第三階段，進入JC指令，因為C=1，有進位，所以條件滿足，執(zhí)行的是075-077-000，正確。五、設計中遇到的問題與解決辦法 程序中誤將賦值符號=寫成了=, 被同學發(fā)現(xiàn)，與時

17、修改，并成功得到解決。第五天 為CPU擴充移位指令一、設計目標 在前面的CPU的基礎上擴充硬件，使其支持移位指令。二、硬件設計1、SHIFTER模塊設計（加上適當注釋）wire data_lsb; wire data_hsb; /*/ */ 第五天要修改的代碼 */assign data_lsb = 1b0 ; /assign data_hsb = 1b0 ; mux#(1) mux_1(.d1(0),.d2(0),.d3(d15),.d4(CF),.q(data_lsb),.addr(IR76); mux#(1) mux_2(.d1(d15),.d2(0),.d3(d0),.d4(CF),.

18、q(data_hsb),.addr(IR76);/ 根據(jù)不同的移位指令，實例化兩個四選一多路器，重新形成data_lsb和data_lsb */ 多路器mux在工程文件中已提供 */ */*2、CF模塊設計timescale 1ns / 1psmodule CF(d15, d0, Cout, q, SL, SR);input d15, d0, Cout;input SL, SR;output q;reg q;always (*)begincase (SL, SR)3b01: q = d0;3b10: q = d15;default:q = Cout;endcaseendendmodule3、I

19、R_DECODE模塊設計（自己增加修改的設計部分）2b00:BM4_uA002-003再是取目的操作數(shù)，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-092-06F-070，執(zhí)行SAR指令。由下一條指令可以看出結果變成了03B0，為右移后的結果，正確。四、設計中遇到的問題與解決辦法 在實例化兩個四選一多路器時，給data_lsb,data_hsb初始化了，導致運行結果出錯，經(jīng)過老師的指導，改正正確。第六天 為CPU擴充堆棧類指令一、設計目標 在前面的CPU的基礎上增加堆棧，使其支持與堆棧有關的PUSH、POP、CALL、RET指令二、硬件設計1

20、、SP模塊設計（加上適當注釋）timescale 1ns / 1psmodule SP(q,d,clk,ce,n_reset); parameter DATAWIDTH=16; output DATAWIDTH-1:0 q; input DATAWIDTH-1:0 d; input clk,ce,n_reset; reg DATAWIDTH-1:0 q;always (posedge clk or negedge n_reset)beginif (!n_reset)q =16 h003F; /當復位信號有效時，SP的輸出為03Felse if (ce) /當使能信號有效時，輸出就是輸入的容q

21、= d;endendmodule2、頂層模塊設計（自己增加修改的設計部分）SP #(DATAWIDTH) SP(.d(IB), .q(SP_out), .clk(clock), .ce(SPce), .n_reset(n_reset);buffer #(DATAWIDTH) SP_IB(.q(IB),.d(SP_out),.oe(SPoe);三、PUSH、POP、CALL、RET指令微程序的設計PUSH（堆棧指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注釋0C0F43000C1SPoe,Ace,SV00C1取sp0C162B300C2Soe,DEC,SV,DRce00C2Sp-10C27C08

22、00C3Soe,SPce,ARce00C3Sp-1后的地址0C300052000DRoe,ARoe,WR0000將容寫入sp-1所指向的存中POP（壓棧指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注釋0C8B00000C9ARoe,TRce00C9將目標地址先存放在暫存器中0C9F40800CASPoe,ARce,Ace00CA取sp 0CA027610CBRD,ARoe,DRce,INC,SV00CB讀出sp所指向的容，sp-10CB800800CCTRoe,ARce00CC取目標地址0CC7C052000ARoe,DRoe,WR,Soe,SPce0000將sp中的容寫入目標地址CALL（子

23、程序調用指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注釋0D0F40000D1SPoe,Ace00D1棧頂單元減一，并保存原PC容0D1B2B000D2DEC,SV,ARoe,TRce00D20D27C0800D3Soe,ARce,SPce00D3將sp-1送入SP和AR中0D3200300D4PCoe,DRce00D4將PC容放入DR0D484052000ARoe,DRoe,WR,TRoe,PCce0000寫入棧頂單元RET（返回指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注釋03CF408003DSPoe,ARce,Ace003D03D0276103FRD,ARoe,DRce,INC,SV

24、003F03FC4000040DRoe,PCce00400407C000000Soe,SPce0000四、測試程序、數(shù)據(jù)與運行結果1、測試容：PUSH（堆棧指令）運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令0000031A 0004PUSH 0004H運行結果與分析：從微地址可以看出，第一階段先是取指令001-002-003再是取目的操作數(shù)，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接尋址方式，最后是執(zhí)行階段，0C0-0C1-0C2-0C3-000，執(zhí)行PUSH指令。DR中為0004H里的容5EE2。同時可以看出SP始終為3F。PUSH指令正確。2、測試容：POP（壓棧指令）運

25、行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令0002033A 0008HPOP 0004H運行結果與分析：從微地址可以看出，第一階段先是取指令001-002-003再是取目的操作數(shù)，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接尋址方式，最后是執(zhí)行階段，0C8-0C9-0CA-0CB-0CC-000，執(zhí)行POP指令。SP減一變?yōu)?E。在存中可以看出，0008H中的容變成了0004H中的容5EE2。POP指令執(zhí)行正確。3、測試容：CALL（子程序調用指令）運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令00000010035A 00100760 5555CALL 0010HMOV #555

26、5,R0運行結果與分析：從微地址可以看出，第一階段是取第一條指令（CALL 0010H），001-002-003，再是取目的操作數(shù)，006-01B-01F-024-025-026-007，最后是執(zhí)行階段，007-0D0-0D1-0D2-0D3-0D4-000，SP減一變?yōu)?E，PC轉到0010H；第二階段先是取第二條指令（MOV #5555H，R0）001-002-003-004,再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-044-046-000，將結果mov到寄存器里。在GRS可

27、以看出由0000變成了5555。4、測試容：RET（返回指令）運行數(shù)據(jù)：存地址(H)機器碼(H)匯編指令000200120761 56780002MOV #5678，R1RET運行結果與分析： CALL執(zhí)行完后，PC跳轉到0012H，所以第一階段先是取第二條指令（RET）001-002-003，然后執(zhí)行RET，007-03C-03D-03F-040-000，SP加一變?yōu)?F，跳轉回到原PC，0002H處，進入第二階段，先是取第一條指令（MOV #5678，R1），001-002-003，再是取源操作數(shù)，004-00B-00F-016-006，是立即數(shù)尋址方式，再是取目的操作數(shù)，006-018-

28、007，是寄存器尋址方式，最后是執(zhí)行階段，007-044-046-000，將結果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000變成了5678。 四、設計中遇到的問題與解決辦法 寫微指令時遇到許多問題，剛開始沒弄明白各條指令的意思，然后經(jīng)過同學的講解，弄懂了各個指令的意思，通過參考書籍，成功的寫出了各個指令的微程序。第七天 為CPU擴充中斷系統(tǒng)一、設計目標 在前面CPU的基礎上增加中斷系統(tǒng)，使其支持鍵盤中斷。二、硬件設計1、IF（可只寫自己增加修改部分。并加上適當注釋）if(!n_reset or cli)IF=0;else if(sti)IF=1;2、INTCif(KR)VA_out=h0020

29、;else if(PR)VA_out=h0021;3、頂層模塊設計（自己增加修改的設計部分）/第七天：IF、INTC的實例化 *IF IF(.clk(clock), .n_reset(n_reset), .sti(STI), .cli(CLI), .IF(IF_out);INTC INTC(.KR(KR), .PR(PR), .INTR(INTR), .VA_out(VA_out);buffer #(DATAWIDTH) VA_B(.q(DB), .d(VA_out), .oe(INTA);三、微程序設計1中斷響應隱指令的微程序設計微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9081F4005082750000050082CLI,S