計算機(jī)組成原理課程設(shè)計

1、計算機(jī)組成原理課程設(shè)計報告班級：計算機(jī) 班 姓名： 學(xué)號： 完成時間： 一、課程設(shè)計目的1在實驗機(jī)上設(shè)計實現(xiàn)機(jī)器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗證，從而進(jìn)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(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(jī)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)乘法和除法的程序進(jìn)行設(shè)計的驗證。三、

2、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(jī)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(jī)的微程序控制器原理，通過綜合實驗來實現(xiàn)（1）該模型機(jī)指令系統(tǒng)的特點：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狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期為一個時鐘脈沖，每個狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯，實現(xiàn)模型機(jī)的各種功能

3、。模型機(jī)有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸出，選擇運算器的運算功能，存儲器的讀寫。模型機(jī)指令集分類算術(shù)運算指令： 邏輯運算指令： 數(shù)據(jù)傳輸指令： 跳轉(zhuǎn)指令：ADD A, R? ADD A, R? ADD A, MM ADD A, #II ADDC A, R? ADDC A, R? ADDC A, MM ADDC A, #II SUB A, R? SUB A, R? SUB A, MM SUB A, #II SUBC A, R? SUBC A, R? SUBC A, MM SUBC A, #II AND A, R? AND A, R? AND A, MM AND A, #II OR A, R?

4、 OR A, R? OR A, MM OR A, #II CPL A MOV A, R? MOV A, R? MOV A, MM MOV A, #II MOV R?, A MOV R?, A MOV MM, A MOV R?, #II JC MM JZ MM JMP MM CALL MM RET 移位指令： 中斷返回指令： 輸入/輸出指令： RR A RL A RRC A RLC A RETI READ MM WRITE MM IN OUT 模型機(jī)尋址方式模型機(jī)的尋址方式指令舉例說明累加器尋址操作數(shù)累加器A。 例如“CPL A”是將累加器A的值取反，還有些是隱含尋址累加器A； 例如“OUT”是

5、將累加器A的值輸出到輸出端口寄存器OUT。 寄存器尋址參與運算的數(shù)據(jù)在R0-R3的寄存器中。 例如“ADD A,R0”是將寄存器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算的數(shù)據(jù)在寄存器EM中，數(shù)據(jù)的地址在寄存器R0-R3中。 例如“MOV A,R1”是將寄存器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。 存儲器直接尋址將存儲器EM中，數(shù)據(jù)的地址為指令的操作數(shù)。 例如“AND A,40H”40H單元的數(shù)據(jù)與累加器A的值作邏輯與運算，結(jié)果存入累加器A。 立即數(shù)尋址參與運算的數(shù)據(jù)位指令的操作數(shù)。 例如“SUB A,#10H”從累加器A中減去立即數(shù)10H，結(jié)果

6、存入累加器A。 模型機(jī)指令格式 助記符機(jī)器碼1機(jī)器碼2指令說明_FATCH- 000000xx 實驗機(jī)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 ADD A, R? 000100xx 將寄存器R?的值加入累加器A中 （2）該模型機(jī)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(jī)的微命令是以直接表示法進(jìn)行編碼的，其特點是操作控制字段中的每一位代表一個微命令。這種方法的優(yōu)點是簡單直觀，其輸出直接用于控制。缺點是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大。模型機(jī)微指令格式助記符 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 運算器 移位控制 µPC PC _

7、FATCH_ T0 00 CBFFFF 指令寄存器IR PC輸出 A輸出 寫入 +1 01 FFFFFF A輸出+1 02 FFFFFF A輸出+1 03 FFFFFF A輸出+1 模型機(jī)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，選擇運算器的運算功能，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

8、下表所示：（按控制信號從左到右的順序依次說明）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)。

9、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(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

10、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 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,

11、 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(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. 計算機(jī)中實現(xiàn)乘法和除法的原理（1）無符號乘法 實例演示（即，列4位乘法具體例子演算的算式）：0 1 1 1 ；被乘數(shù)07× 0 1 0 1 ；乘數(shù)05 0 0 0 0 ；中間結(jié)果（R0）初始值設(shè)為0 0 1 1 1 ；乘數(shù)0101最低位為1，R0<-R0+0111，；被乘數(shù)左移，乘數(shù)右移一位為0010。 0 1 1 1 ；中間結(jié)果(R0=7)

12、 0 0 0 0 ；乘數(shù)最低位為0，加0 ，R0不變；被乘數(shù)左移一位，乘數(shù)右移一位為0001 0 0 1 1 1 ；中間結(jié)果(R0=8) 0 1 1 1 ；乘數(shù)最低位為1，R0<-R0+100000，；被乘數(shù)左移一位，乘數(shù)右移一位為0000 1 0 0 0 1 1 ；中間結(jié)果R0=35 0 0 0 0 ；乘數(shù)最低位為0，加0，R0不變；被乘數(shù)左移一位，乘數(shù)右移一位0000。 （0） 0 1 0 0 0 1 1 ；計算完畢，結(jié)果為0100011 即：0111×0101=01000011（23十進(jìn)制是35）硬件原理框圖：算法流程圖：在模型機(jī)上實現(xiàn)無符號數(shù)乘法運算時，采用“加法移位”

13、的重復(fù)運算方法。因此，無符號乘法的算法流程圖如下圖所示：（2）無符號除法實例演示（即，列4位除法具體例子演算的算式）： 0 1 0 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 ；被除數(shù) 1 0 0 1 ；除數(shù) ；減去除數(shù)1 1 0 1 0 ；余數(shù)為負(fù)，C=1,商上0 1 0 0 1 ；商左移一位,除數(shù)右移一位；加上除數(shù)0 0 0 1 1 1 ；余數(shù)為正，C=0,商上1 1 0 0 1 ；商左移一位,除數(shù)右移一位 ；減去除數(shù) 1 1 1 1 1 0 0 ；余數(shù)為負(fù)，C=1,商上01 0 0 1 ；商左移一位,除數(shù)右移一位；加上除數(shù)0 0 0 0 1 0 1 0 ；余數(shù)為正，C=0,商上

14、1 1 0 0 1 ；商左移一位,除數(shù)右移一位 ；減去除數(shù) 0 0 0 0 0 0 0 1 ；余數(shù)為正，C=0,商上1，余數(shù)為1 ；余數(shù)為正不用處理即：01100100/1001=10110001(100/9=111)硬件原理框圖： 算法流程圖：在模型機(jī)上實現(xiàn)無符號數(shù)除法運算時，采用“加減交替算法”的運算方法。因此，無符號除法的算法流程圖下圖所示：3對應(yīng)于以上算法如何分配使用COP2000實驗儀中的硬件（1）無符號乘法符號乘法對應(yīng)于COP2000實驗儀的硬件具體分配使用情況如下表所示：硬件名稱實現(xiàn)算法功能描述寄存器R0 初始化時，用來存放被乘數(shù)； 在程序執(zhí)行的過程中，用來存放向左移位后的被乘數(shù)

15、。寄存器R1初始化時，用來存放乘數(shù)； 在程序執(zhí)行的過程中，用來存放向右移位后的乘數(shù)。寄存器R2計算時用來存放部分積和最后的積累加器A執(zhí)行ADD A,R?（加法）、SHL R?（左移一位）、SHR R?（右移一位）等命令時所必須使用的寄存器。寄存器W執(zhí)行ADD A,R?（加法）、TEST R?,#II（測試R2的末位）等雙操作數(shù)命令時所必須使用的寄存器。左移門L用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)左移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。直通門D用來控制ALU的執(zhí)行結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。右移門R用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)右移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。程序計數(shù)器PC 控制程序按

16、順序正常執(zhí)行； 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程序能夠按需要自動執(zhí)行。 當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)時，由PC提供地址。存儲器EM存儲指令和數(shù)據(jù)。微程序計數(shù)器PC向微程序存儲器M提供相應(yīng)微指令的地址。微程序存儲器M存儲相應(yīng)指令的微指令。輸出寄存器OUT可以將運算結(jié)果輸出到輸出寄存器OUT（本實驗未用）。（2）無符號除法 無符號除法對應(yīng)于COP2000實驗儀的硬件具體分配使用情況如下表所示：硬件名稱實現(xiàn)算法功能描述寄存器R0初始化時，用來存放被除數(shù)和計算后的余數(shù)。寄存器R1 初始化時，用來存放除數(shù)； 在程序執(zhí)行的過程中，用來存放向右移位后的除數(shù)。寄存器R2在程序執(zhí)行過程中，用來保存當(dāng)前算

17、得的商。寄存器R3當(dāng)作計數(shù)器使用，用來控制程序是否結(jié)束。累加器A 計算時用來存放中間結(jié)果； 執(zhí)行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（減法）等命令時所必須使用的寄存器。寄存器W執(zhí)行SUB A,R?（減法）等雙操作數(shù)命令時所必須使用的寄存器。左移門L用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)左移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。直通門D用來控制ALU的執(zhí)行結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。右移門R用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)右移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。程序計數(shù)器PC 控制程序按順序正常執(zhí)行； 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程序能夠按需要自動執(zhí)行。 當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)

18、時，由PC提供地址。存儲器EM存儲指令和數(shù)據(jù)。微程序計數(shù)器PC向微程序存儲器M提供相應(yīng)微指令的地址。微程序存儲器M存儲相應(yīng)指令的微指令。輸出寄存器OUT可以將運算結(jié)果輸出到輸出寄存器OUT（本實驗未用）。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（設(shè)計兩個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_FATCH_ 000000XX 00-03實驗機(jī)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? ,#II 000001XX 04-07II 將立即數(shù)II送入寄存器R?中。 MOV

19、 R?,A000010XX 08-0B將寄存器A內(nèi)容送入寄存器R?中。MOV A,R?000011XX 0C-0F將寄存器R?內(nèi)容送入寄存器A中。ADD R?,A000100XX 10-13將寄存器R?中的數(shù)據(jù)與A中的內(nèi)容相加，結(jié)果存入R?中。ADD A,R?000101XX 14-17將寄存器A中的數(shù)據(jù)與R?中的內(nèi)容相加，結(jié)果存入A中。SUB A,R?000110XX 18-1B將寄存器A中的數(shù)據(jù)與R?中的內(nèi)容相減，結(jié)果存入A中 。AND R?,#II000111XX 1C-1FII將寄存器R?中的數(shù)據(jù)與立即數(shù)相與,結(jié)果存入R?。NOT R?001000XX 20-23將寄存器R?中的數(shù)據(jù)取

20、反。RL R?001001XX 24-27將寄存器R?中的數(shù)據(jù)邏輯左移一位。RR R?001010XX 28-2B將寄存器R?中的數(shù)據(jù)邏輯右移一位。RLC R?001011XX 2C-2F將寄存器R?中的數(shù)據(jù)帶進(jìn)位左移一位。RRC R?001100XX 30-33將寄存器R?中的數(shù)據(jù)帶進(jìn)位右移一位。CLR R?001101XX34-37將寄存器R?中的內(nèi)容清零。TEST R?001110XX 38-3B測試寄存器R?中的內(nèi)容是否為清零。ENDP001111XX 3C-3F程序結(jié)束。JC MM010000XX 40-43進(jìn)位跳轉(zhuǎn)：CF=1時跳轉(zhuǎn)。JZ MM010001XX 44-47零跳轉(zhuǎn)：ZF

21、=1時，跳轉(zhuǎn)。JMP MM010010 48-4B無條件跳轉(zhuǎn)。（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)打入地址輸出運算器移位控制mPCPC_FATCH_ TO 00 CBFFFF 浮空指令寄存器IR PC輸出 A輸出 寫入 +1 01 FFFFFF 浮空浮空A輸出 +1 02 FFFFFF 浮空浮空A輸出 +1 03 FFFFFF 浮空浮空A輸出 +1 MOV R? ,#II T1 04 C7FBFF 存儲器值EM 寄存器R？ PC輸出 A輸出 +1 +1 T0 05 CBFFFF 浮空指令寄存器IR PC輸出 A輸出寫入+1 06FFFFFF浮空A輸出+1 +1 07FFFFF

22、F浮空A輸出+1 +1 MOV R?,AT108FFFB9FALU直通寄存器R?浮空A輸出+1T009CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1 0AFFFFFF浮空浮空A輸出+10BFFFFFF浮空浮空A輸出+1MOV A,R?T10CFFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A輸出+1T00DCBFFFF浮空寄指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1 0EFFFFFF浮空浮空A輸出+10FFFFFFF浮空浮空A輸出+1ADD R?,AT210FFF7EF寄存器值R？寄存器W浮空A輸出+1T111FFFB98ALU直通寄存器R?浮空加運算+1T012CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸

23、出寫入+113FFFFFF浮空浮空A輸出+1ADD A,R?T214FFF7EF寄存器值R? 寄存器W浮空A輸出+1T115FFFE90ALU直通寄存器A標(biāo)志位C,Z浮空加運算+1T016CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+117FFFFFF浮空浮空A輸出+1SUB A,R?T218FFF7EF寄存器值R？寄存器W浮空A輸出+1T119FFFE91ALU直通寄存器A標(biāo)志位C,Z浮空減運算+1T01ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+11BFFFFFF浮空浮空A輸出+1AND R?,#IIT31CC7FFEF存儲器值EM寄存器WPC輸出A輸出+1T21DFFF7F7

24、寄存器值R?寄存器A浮空A輸出+1T11EFFFB9BALU直通寄存器R?浮空與運算+1T01FCBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1NOT R?T220FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A輸出+1T121FFFB9EALU直通寄存器R?浮空A取反+1T022CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+123FFFFFF浮空浮空A輸出+1RL R?T224FFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T125FFF8DFALU左移寄存器R? 標(biāo)志位C,Z浮空A輸出左移+1T026CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+127FFFFFF浮空浮空A輸出+1RR R

25、?T228FFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T129FFF8BFALU右移寄存器R? 標(biāo)志位C,Z浮空A輸出右移+1T02ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+12BFFFFFF浮空浮空A輸出+1RLC R?T22CFFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T12DFFFADFALU左移寄存器R? 標(biāo)志位C,Z浮空A輸出帶進(jìn)位左移+1T02ECBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+12FFFFFFF浮空浮空A輸出+1RRC R?T230FFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T131FFFABFALU右移寄存器R? 標(biāo)志位C,Z浮空A輸出帶進(jìn)位右移

26、+1T032CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+133FFFFFF浮空浮空A輸出+1CLR R?T334FFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T235FFF7EF寄存器值R？寄存器W浮空A輸出+1T136FFFB99ALU直通寄存器R？浮空減運算+1T037CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1TEST R?T338FFF7F7寄存器值R？寄存器A浮空A輸出+1T239FFF7EF寄存器值R？寄存器W浮空A輸出+1T13AFFFE92ALU直通寄存器A,標(biāo)志位C,Z浮空或運算+1T03BCBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+1ENDPT03CCBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+13DFFFFFF浮空浮空A輸出+13EFFFFFF浮空浮空A輸出+13FFFFFFF浮空浮空A輸出+1JC MMT140C6FFFF存貯器值EM寄存器PCPC輸出A輸出+1寫入T041CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+142FFFFFF浮空浮空A輸出+143FFFFFF浮空浮空A輸出+1JZ MMT144C6FFFF存貯器值EM寄存器PCPC輸出A輸出+1寫入T04