計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書

下載可編輯計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)：完成時(shí)間：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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的微程序；之后編寫實(shí)現(xiàn)乘法和除法的程序進(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COP2000實(shí)驗(yàn)儀PC機(jī)2．軟件.專業(yè).整理.下載可編輯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COP2000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)該模型機(jī)指令系統(tǒng)的特點(diǎn)：1）指令系統(tǒng)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)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(chǔ)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，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(chǔ)器的讀寫。指令系統(tǒng)包括以下七類：.專業(yè).整理.下載可編輯算術(shù)運(yùn)算指令A(yù)DDA,R?ADDA,@R?ADDA,MMADDA,#IIADDCA,R?ADDCA,@R?ADDCA,MMADDCA,#IISUBA,R?SUBA,@R?SUBA,MMSUBA,#IISUBCA,R?SUBCA,@R?SUBCA,MMSUBCA,#II2）模型機(jī)尋址方式

邏輯運(yùn)算指令數(shù)據(jù)傳輸指令跳轉(zhuǎn)指令A(yù)NDA,R?MOVA,R?JCMMANDA,@R?MOVA,@R?JZMMANDA,MMMOVA,MMJMPMMANDA,#IIMOVA,#IICALLMMRETORA,R?MOVR?,AORA,@R?MOV@R?,AORA,MMMOVMM,AORA,#IIMOVR?,#IICPLA移位指令中斷返回指令輸入/輸出指令RRARETIREADMMRLAWRITEMMRRCAINRLCAOUT模型機(jī)的尋址方式 指令舉例說明.專業(yè).整理.下載可編輯操作數(shù)累加器A。例如“CPLA是”將累加器A的值取反，還有些是隱含累加器尋址尋址累加器A；例如“OUT是”將累加器A的值輸出到輸出端口寄存器OUT。參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在R0-R3的寄存器中。寄存器尋址例如“ADDA,R0”是將寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中參與運(yùn)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。寄存器間接尋址例如“MOVA,@R1”是將寄存器R1的值作為地址，把存儲(chǔ)器EM中該地址的內(nèi)容送入累加器A中。將存儲(chǔ)器EM中，數(shù)據(jù)的地址為指令的操作數(shù)。例如“ANDA,40H”40H單元的數(shù)據(jù)與累加器A的值存儲(chǔ)器直接尋址作邏輯與運(yùn)算，結(jié)果存入累加器A。參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)位指令的操作數(shù)。立即數(shù)尋址例如“SUBA,#10H從累”加器A中減去立即數(shù)10H，結(jié)果存入累加器A。.專業(yè).整理.下載可編輯3）指令格式助記符機(jī)器碼1機(jī)器碼2指令說明_FATCH-000000xx實(shí)驗(yàn)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ADDA,R?000100xx將寄存器R?的值加入累加器A中????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 ）：微指令格式助記符 狀 微 地 微程序 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 地址 運(yùn)算 移位 μPC PC態(tài) 址 輸出 打入 輸出 器 控制_FATCH_ T0 00 CBFFFF 指令 PC輸 A 輸 寫入 +1寄存 出 出器IR01 FFFFFF A 輸 +1出.專業(yè).整理.下載可編輯02 FFFFFF A 輸 +1出03 FFFFFF A 輸 +1出? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2）微指令設(shè)置說明控制信號(hào)含義XRD：外部設(shè)備讀信號(hào)，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號(hào)，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。EMWR：程序存儲(chǔ)器EM寫信號(hào)。EMRD：程序存儲(chǔ)器EM讀信號(hào)。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(chǔ)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(chǔ)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uPC。EINT：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志，便于下次中斷。ELP：PC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。.專業(yè).整理.下載可編輯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R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。RWR：寫寄存器組R0-R3，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。X2X1X0:X2、X1、X0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的寄存器。WEN：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。S2S1S0S2、S1、S0三位組合決定ALU做何種運(yùn)算。X2X1X0 與S2S1S0的具體對(duì)應(yīng)操作如表所示 ：X2X1X0 被選中寄存器 S2S1S0 運(yùn)算000IN000A+W001IA001A-W010ST010AORW.專業(yè).整理.下載可編輯011PC011AANDW100D100A+W+Cy101R101A-W-Cy110L110NOTA111無111A2.計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)乘法和除法的原理（1）無符號(hào)乘法①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 ：1001×0110=00110110即十進(jìn)制運(yùn)算結(jié)果為 ：9×6=54無符號(hào)乘法的實(shí)例演示如圖 1所示：1001；被乘數(shù)×0110；乘數(shù)0000；初始值（零）＋0000（0）；乘數(shù)最低位為0，部分積加0，被乘數(shù)左移.專業(yè).整理.下載可編輯一；位，乘數(shù)右移一位。0000；部分積＋1001（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。10010；部分積＋1001（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。110110；部分積＋0000（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 0 1 1 0 ；計(jì)算完畢，結(jié)果為00110110即：1001×0110=00110110②硬件原理框圖 ：.專業(yè).整理.下載可編輯③算法流程圖：在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)無符號(hào)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(hào)乘法的算法流程圖如圖所示 。 開始初始化被乘數(shù)及乘數(shù)初始化部分積Y乘數(shù)為0?N乘數(shù)末位為 1?NY計(jì)算部分積被乘數(shù)左移一位 (不帶進(jìn)位)乘數(shù)右移一位 (不帶進(jìn)位).專業(yè).整理. 輸出結(jié)果（R0）結(jié)束下載可編輯2）無符號(hào)除法實(shí)例演示（即，列4位除法具體例子演算的算式）：被除數(shù)為 01000011（二進(jìn)制），即為十進(jìn)制的 67；除數(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 ：01000011 ÷0110=1011 ?0001即十進(jìn)制運(yùn)算結(jié)果為 ：67÷6=11?1無符號(hào)除法的實(shí)例演示如圖 4所示1 0 1 10 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 ；被除數(shù).專業(yè).整理.下載可編輯0 1 1 0 ；除數(shù)010000110；被除數(shù)左移一位，比較，夠減0110；相減，商上100100110001001100；余數(shù)左移一位，比較，不夠減0110；商上0010011000；余數(shù)左移一位，比較，夠減0110；相減，商上100111000001110000；余數(shù)左移一位，比較，夠減0110；相減，商上10 0 0 1②硬件原理框圖 ：.專業(yè).整理.R2（商）③算法流程圖：商1計(jì)算余數(shù)N計(jì)算結(jié)束?.專業(yè).整理.

下載可編輯初始化：被除數(shù)左移L D R標(biāo)志位CALUA W R3（計(jì)數(shù)器）R2 R1被除數(shù) 除數(shù)開始初始化被除數(shù)及除數(shù)計(jì)數(shù)器初始化被除數(shù)左移做減法N余數(shù)為負(fù)?YN商0Y計(jì)算結(jié)束?Y輸出結(jié)果結(jié)束下載可編輯3．對(duì)應(yīng)于以上算法如何分配使用 COP2000實(shí)驗(yàn)儀中的硬件（1）乘法硬件分配情況表硬件名稱 實(shí)現(xiàn)算法功能描述寄存器R0 計(jì)算時(shí)用來存放中間結(jié)果和最后的積 。①初始化時(shí)，用來存放被乘數(shù) ；寄存器R1 ②在程序執(zhí)行的過程中 ，用來存放向左移位后的被乘數(shù) 。①初始化時(shí)，用來存放乘數(shù) ；.專業(yè).整理.下載可編輯寄存器R2 ②在程序執(zhí)行的過程中 ，用來存放向右移位后的乘數(shù) 。累加器A傳遞中間數(shù)據(jù)。寄存器W傳遞中間數(shù)據(jù)。左移門L實(shí)現(xiàn)左移操作。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實(shí)現(xiàn)右移操作①控制程序按順序正常執(zhí)行；②當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程序能程序計(jì)數(shù)器PC夠按需要自動(dòng)執(zhí)行。③當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由PC提供地址。存儲(chǔ)器EM 存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù) 。微程序計(jì)數(shù)器 μPC 向微程序存儲(chǔ)器 μM提供相應(yīng)微指令的地址 。微程序存儲(chǔ)器 μM 存儲(chǔ)相應(yīng)指令的微指令 。（2）除法硬件分配情況表硬件名稱 實(shí)現(xiàn)算法功能描述寄存器R0 在程序執(zhí)行過程中 ，用來保存當(dāng)前算得的商 。寄存器R1 初始化時(shí)，用來存放被除數(shù) 。.專業(yè).整理.下載可編輯寄存器R2初始化時(shí)，用來存放除數(shù)，和被右移的除數(shù)。寄存器R3當(dāng)作計(jì)數(shù)器使用，用來控制程序是否結(jié)束。累加器A傳遞中間運(yùn)行數(shù)據(jù)。寄存器W傳遞中間運(yùn)行數(shù)據(jù)。左移門L實(shí)現(xiàn)左移操作。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實(shí)現(xiàn)右移操縱。①控制程序按順序正常執(zhí)行；②當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程程序計(jì)數(shù)器PC序能夠按需要自動(dòng)執(zhí)行。③當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由PC提供地址。存儲(chǔ)器EM 存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù) 。微程序計(jì)數(shù)器 μPC 向微程序存儲(chǔ)器 μM提供相應(yīng)微指令的地址 。微程序存儲(chǔ)器 μM 存儲(chǔ)相應(yīng)指令的微指令 。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）新的指令集（乘法和除法）助記符 機(jī)器碼1 機(jī)器碼2 指令說明.專業(yè).整理.下載可編輯000000xx實(shí)驗(yàn)機(jī)占用，不可修改。復(fù)位后，所有寄_FATCH_00-03存器清0首先執(zhí)行_FATCH_指令取指MOVR?,#II000001xxII將立即數(shù)II送入寄存器R中。04-07MOVA,R?000010xx將寄存器R中的數(shù)據(jù)送入累加器A中。08-0BMOVR?,A000011xx將A累加器中的數(shù)據(jù)送入寄存器R中。0C-0FSUBA,R?000100xx帶進(jìn)位減法語句，結(jié)果保存在累加器A中10-13ORA,#II000110xxII邏輯或指令，影響標(biāo)志位。18-1BTESTR?000111xx判斷當(dāng)前寄存器中內(nèi)容是否為0，影響標(biāo)1C-1F志位RLR?001000xx邏輯左移20-23SHLR?001001xx邏輯左移24-27SHRR?001010xx算術(shù)右移28-2BRRR?001011xx邏輯右移2C-2F.專業(yè).整理.下載可編輯ENDD001100xx程序結(jié)束。30-33ADDR?,A001101xx不帶進(jìn)位加法指令，結(jié)果保存在R中。34-37JMPMM001111xxMM實(shí)現(xiàn)無條件跳轉(zhuǎn)3C-3FJCMM010000xxMM帶進(jìn)位跳轉(zhuǎn)40-43JZMM010001xxMM帶零判斷跳轉(zhuǎn)44-47新的微指令集助記符 狀 微 微 程 數(shù)據(jù)輸 數(shù)據(jù)打入 地址 運(yùn)算器態(tài) 地 序 出 輸出址_FATCH_T000CBFFFF指令寄存PC輸A輸出器IR出01FFFFFFA輸出02FFFFFFA輸出03FFFFFFA輸出MOVR?,#IIT104C7FBFF存儲(chǔ)器寄存器R?PC輸A輸出EM出T005CBFFFF指令寄存PC輸A輸出

移位控制

μPC PC寫入 +1+1+1+1+1 +1寫入 +1.專業(yè).整理.下載可編輯器IR出06FFFFFFA輸出+107FFFFFFA輸出+1MOVA,R?T108FFF7F7寄存器值寄存器AA輸出+1R?T009CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出0AFFFFFFA輸出+10BFFFFFFA輸出+1MOVR?,AT10CFFFB9FALU直通寄存器R?A輸出+1T00DCBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出0EFFFFFFA輸出+10FFFFFFFA輸出+1SUBA,R?T210FFF7EF寄存器值寄存器WA輸出+1R?T111FFFE91ALU直通寄存器A，減運(yùn)算+1標(biāo)志位C，ZT012CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出13FFFFFFA輸出+1UNDEF14FFFFFFA輸出+115FFFFFFA輸出+116FFFFFFA輸出+117FFFFFFA輸出+1ORA,#IIT218C7FFEF存儲(chǔ)器值寄存器WPC輸A輸出+1+1EM出T119FFFE92ALU直通寄存器A或運(yùn)算+1標(biāo)志位C，ZT01ACBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出1BFFFFFFA輸出+1TESTR?T31CFFF7F7寄存器值寄存器AA輸出+1R?T21DFFF7EF寄存器值寄存器WA輸出+1R?T11EFFFE92ALU直通寄存器A或運(yùn)算+1標(biāo)志位C，ZT01FCBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出.專業(yè).整理.下載可編輯RLR?T220FFF7F7寄存器值A(chǔ)輸出+1R?T121FFF9DFALU左移寄存器R?A輸出左+1移T022CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出23FFFFFFA輸出+1SHLR?T224FFF7F7寄存器值A(chǔ)輸出+1R?T125FFF8DFALU左移寄存器R?A輸出左+1標(biāo)志位C，移ZT026CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出27FFFFFFA輸出+1SHRR?T228FFF7F7寄存器值A(chǔ)輸出+1R?T129FFFABFALU右移寄存器R?A輸出帶+1標(biāo)志位C，進(jìn)Z位右移T02ACBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出2BFFFFFFA輸出+1RRR?T22CFFF7F7寄存器值寄存器AA輸出+1R?T12DFFF9BFALU右移寄存器R?A輸出右+1移T02ECBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出2FFFFFFFA輸出+1ENDDT030CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出31FFFFFFA輸出+132FFFFFFA輸出+133FFFFFFA輸出+1ADDR?,AT334FFF7EF寄存器值寄存器WA輸出+1R?T235FFFE90ALU直通寄存器A加運(yùn)算+1標(biāo)志位C，ZT136FFFB9FALU直通寄存器R?A輸出+1.專業(yè).整理.下載可編輯T037CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出UNDEF38FFFFFFA輸出+139FFFFFFA輸出+13AFFFFFFA輸出+13BFFFFFFA輸出+1JMPMMT13CC6FFFF存儲(chǔ)器值寄存器PCPC輸A輸出+1寫EM出入T03DCBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出3EFFFFFFA輸出+13FFFFFFFA輸出+1JCMMT140C6FFFF存儲(chǔ)器值寄存器PCPC輸A輸出+1寫EM出入T041CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出42FFFFFFA輸出+143FFFFFFA輸出+1JZMMT144C6FFFF存儲(chǔ)器值寄存器PCPC輸A輸出+1寫EM出入T045CBFFFF指令寄存PC輸A輸出寫入+1器IR出46FFFFFFA輸出+147FFFFFFA輸出+15．用設(shè)計(jì)完成的新指令集編寫實(shí)現(xiàn)無符號(hào)二進(jìn)制乘法 、除法功能的匯編語言程序（1）乘法4位乘法的匯編語言程序清單 ：MOVR1,#07HMOVR0,#05HMOVR2,#00HB1:TESTR0JZOVERSHRR0.專業(yè).整理.下載可編輯JC B2B3:SHLR1JMPB1B2:MOVA,R1ADDR2,AJMPB3OVER:ENDD2）除法（選作）4位除法的匯編語言程序清單 ：MOVR1,#43HMOVR2,#06HMOVR3,#04HMOVR0,#01HRLR2RLR2RLR2RLR2D:RLR1MOVA,R1SUBA,R2JCB1ORA,#01H.專業(yè).整理.下載可編輯MOVR1,AB1:MOVA,R3SUBA,R0JZOVERMOVR3,AJMPDOVER:ENDD6．上述程序的運(yùn)行情況 （跟