东北大学计算机组成原理专业课程设计.doc

计算机组成原理课程设计汇报
班级：09计算机04班 姓名： 学号：

完成时间： 1月4日星期三

一、课程设计目标
1．在试验机上设计实现机器指令及对应微指令（微程序）并验证，从而深入掌握微程序设计控制器基础方法并了解指令系统和硬件结构对应关系；
2．经过控制器微程序设计，综合了解计算机组成原理课程关键知识并深入建立整机系统概念；
3．培养综合实践及独立分析、处理问题能力。

二、课程设计任务
针对COP试验仪，从具体了解该模型机指令/微指令系统入手，以实现乘法和除法运算功效为应用目标，在COP集成开发环境下，设计全新指令系统并编写对应微程序；以后编写实现乘法和除法程序进行设计验证。

三、 课程设计使用设备（环境）
1．硬件
l COP试验仪
l PC机
2．软件
l COP仿真软件

四、课程设计具体内容（步骤）
1．具体了解并掌握COP 模型机微程序控制器原理，经过综合试验来实现
① 总体概述
COP模型机包含了一个标准CPU所含有全部部件，这些部件包含：运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中止向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存放器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存放器uM，和中止控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中止控制电路和跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路全部是用离散数字电路组成。微程序控制部分也能够用组合逻辑控制来替换。
模型机为8位机，数据总线、地址总线全部为8位，但其工作原理和16位机相同。相比而言8位机试验降低了烦琐连线，但其原理却更轻易被学生了解、吸收。
模型机指令码为8位，依据指令类型不一样，能够有0到2个操作数。指令码最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方法中，用指令码做为微地址来寻址微程序存放器，找到实施该指令微程序。而在组合逻辑控制方法中，按时序用指令码产生对应控制位。在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不一样控制逻辑，实现模型机多种功效。模型机有24位控制位以控制寄存器输入、输出，选择运算器运算功效，存放器读写。
模型机缺省指令集分几大类： 算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、数据传输指令、跳转指令、中止返回指令、输入/输出指令。

② 模型机寻址方法
表1 模型机寻址方法
模型机寻址方法
寻址方法说明
指令举例
指令说明
累加器寻址
操作数为累加器A
CPL A
将累加器A值取反
隐含寻址累加器A
OUT
将累加器A值输出到输出端口寄存器OUT
寄存器寻址
参与运算数据在R0~R3寄存器中
ADD A,R0
将寄存器R0值加上累加器A值，再存入累加器A中
寄存器间接寻址
参与运算数据在存放器EM中，数据地址在寄存器R0-R3中
MOV A,@R1
将寄存器R1值作为地址，把存放器EM中该地址内容送入累加器A中
存放器直接寻址
参与运算数据在存放器EM中，数据地址为指令操作数。
AND A,40H
将存放器EM中40H单元数据和累加器A值作逻辑和运算，结果存入累加器A
立即数寻址
参与运算数据为指令操作数。
SUB A,#10H
从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A
（2）该模型机微指令系统特点（包含其微指令格式说明等）：
① 总体概述
该模型机微命令是以直接表示法进行编码，其特点是操作控制字段中每一位代表一个微命令。这种方法优点是简单直观，其输出直接用于控制。缺点是微指令字较长，所以使控制存放器容量较大。

② 微指令格式说明
模型机有24位控制位以控制寄存器输入、输出，选择运算器运算功效，存放器读写。微程序控制器由微程序给出24位控制信号，而微程序地址又是由指令码提供，也就是说24位控制信号是由指令码确定。该模型机微指令长度为24位，其中微指令中只含有微命令字段，没有微地址字段。其中微命令字段采取直接按位表示法，哪位为0，表示选中该微操作，而微程序地址则由指令码指定。这24位操作控制信号功效如表2所表示：（按控制信号从左到右次序依次说明）

表2 微指令控制信号功效
操作控制信号
控 制 信 号 说 明
XRD
外部设备读信号，当给出了外设地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
EMWR
程序存放器EM写信号。
EMRD
程序存放器EM读信号。
PCOE
将程序计数器PC值送到地址总线ABUS上。
EMEN
将程序存放器EM和数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
IREN
将程序存放器EM读出数据打入指令寄存器IR和微指令计数器μPC。
EINT
中止返回时清除中止响应和中止请求标志，便于下次中止。
ELP
PC打入许可，和指令寄存器IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
MAREN
将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。
MAROE
将地址寄存器MAR值送到地址总线ABUS上。
OUTEN
将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
STEN
将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
RRD
读寄存器组R0~R3，寄存器R?选择由指令最低两位决定。
RWR
写寄存器组R0~R3，寄存器R?选择由指令最低两位决定。
CN
决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
FEN
将标志位存入ALU内部标志寄存器。
X2
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上寄存器。
X1
X0
WEN
将数据总线DBUS值打入工作寄存器W中。
AEN
将数据总线DBUS值打入累加器A中。
S2
S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。
S1
S0
COP中有7个寄存器能够向数据总线输出数据, 但在某一特定时刻只能有一个寄存器输出数据. 由X2,X1,X0决定那一个寄存器输出数据。
X2 X1 X0
输出寄存器
0 0 0
IN_OE 外部输入门
0 0 1
IA_OE 中止向量
0 1 0
ST_OE 堆栈寄存器
0 1 1
PC_OE PC寄存器
1 0 0
D_OE 直通门
1 0 1
R_OE 右移门
1 1 0
L_OE 左移门
1 1 1
没有输出
COP中运算器由一片EPLD实现. 有8种运算, 经过S2,S1,S0来选择。运算数据由寄存器A及寄存器W给出, 运算结果输出到直通门D。
S2 S1 S0
功效
0 0 0
A+W 加
0 0 1
A-W 减
0 1 0
A|W 或
0 1 1
A&W 和
1 0 0
A+W+C 带进位加
1 0 1
A-W-C 带进位减
1 1 0
~A A取反
1 1 1
A 输出A
2。计算机中实现乘法和除法原理
（1）无符号乘法
（1）无符号乘法
①实例演示（即，列4位乘法具体例子演算算式）：
被乘数为1001（二进制），即为十进制9；乘数为0110（二进制），即为十进制6。那么，能够经过笔算得到：
1000×0111=00110110
即十进制运算结果为：
8×7=56
无符号乘法实例演示图1所表示：

1 0 0 0 ；被乘数
× 0 1 1 1 ；乘数

0 0 0 0 ；初始值（零）
＋ 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左
；移一位，乘数右移一位。
1 0 0 0 ；部分积
＋ 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左
；移一位，乘数右移一位。
1 1 0 0 0 ；部分积
＋ 1 0 0 0 （1） ；乘数最低位为1，部分积加被乘数，被乘数左
；移一位，乘数右移一位。
1 1 1 0 0 0 ；部分积
＋ 0 0 0 0 （0） ；乘数最低位为0，部分积加0，被乘数左移一
；位，乘数右移一位。
（0） 0 1 1 1 0 0 0 ；计算完成，结果为00111000
即：1000×0111=00111000

图1 无符号乘法实例演示
②硬件原理框图：

图2 无符号乘法硬件原理框图
在模型机上实现无符号数乘法运算时，采取“加法—移位”反复运算方法。那么，
无符号乘法硬件原理框图图2所表示。
③算法步骤图：
在模型机上实现无符号数乘法运算时，采取“加法—移位”反复运算方法。所以，无符号乘法算法步骤图图3所表示。

（2）无符号除法

①实例演示（即，列4位除法具体例子演算
算式）：
②硬件原理框图：
③算法步骤图：
3．对应于以上算法怎样分配使用COP试验仪中硬件
（初步分配，设计完成后再将正确使用情况填写在此处）
4．在COP集成开发环境下设计全新指令/微指令系统
设计结果如表所表示（可按需要增删表项）
（1） 新指令集
（设计两个不一样指令集要分别列表）

助记符
机器码1
机器码2
指令说明

（2） 新微指令集

助记符
状态
微地址
微程序
数据输出
数据打入
地址输出
运算器
移位控制
mPC
PC

5．用设计完成新指令集编写实现无符号二进制乘法、除法功效汇编语言程序
（1）乘法
4位乘法算法步骤图和汇编语言程序清单：
（2）除法（选作）
4位除法算法步骤图和汇编语言程序清单：
6．上述程序运行情况（跟踪结果）
按下表填写描述以上各程序运行情况内容。按每个程序一张表进行。

程序运行过程
汇 编 指 令
程序地址
机器码
指令说明
微程序
PC
mPC
运行时寄存器或存放器值

7．设计结果说明
调试运行程序时是否出现问题，是否有重新调整指令/微指令系统设计情况出现？请在此做具体说明。

五、此次课程设计总结体会（不少于200字）
关键总结学到具体知识、方法及设计中切身体会；包含列出在设计各个阶段出现问题及处理方法。

（以上红色字内容为由设计者完成并填写）