计算机组成原理课程设计报告范文.doc

计算机组成原理课程设计报告班级：计算机 班 姓名： 学号： 完毕时间： 一、课程设计目的1在实验机上设计实现机器指令及相应的微指令（微程序）并验证，从而进一步掌握微程序设计控制器的基本方法并了解指令系统与硬件结构的相应关系；2通过控制器的微程序设计，综合理解计算机组成原理课程的核心知识并进一步建立整机系统的概念；3培养综合实践及独立分析、解决问题的能力。二、课程设计的任务针对COP2023实验仪，从具体了解该模型机的指令/微指令系统入手，以实现乘法和除法运算功能为应用目的，在COP2023的集成开发环境下，设计全新的指令系统并编写相应的微程序；之后编写实现乘法和除法的程序进行设计的验证。三、 课程设计使用的设备（环境）1硬件l COP2023实验仪l PC机2软件l COP2023仿真软件四、课程设计的具体内容（环节）1具体了解并掌握COP 2023模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现该模型机指令系统的特点：1.模型机总体结构 COP2023模型机涉及了一个标准CPU所具有所有部件，这些部件涉及：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、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。 模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。 模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码作为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，准时序用指令码产生相应的控制位。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同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。2. 模型机寻址方式 模型机的寻址方式分五种： 累加器寻址： 操作数为累加器A，例如“CPL A”是将累加器A值取反，尚有些指令是隐含寻址累加器A，例如“OUT”是将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT。 寄存器寻址： 参与运算的数据在R0-R3的寄存器中，例如 “ADD A，R0”指令是将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。 寄存器间接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在寄存器R0-R3中，例如 “MOV A，R1”指令是将寄存器R1的值做为地址，把存储器EM中该地址的内容送入累加器A中。 存储器直接寻址：参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。例如“AND A，40H”指令是将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值做逻辑与运算，结果存入累加器A。 立即数寻址： 参与运算的数据为指令的操作数。例如 “SUB A，#10H”是从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A。3. 模型机指令集 模型机的缺省的指令集分几大类： 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、中断返回指令、输入/输出指令。算术运算指令：逻辑运算指令：数据传输指令：跳转指令：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, #IIAND A, R? AND A, R? AND A, MM AND A, #II OR A, R?OR A, R? OR A, MM OR A, #IICPL AMOV A, R? MOV A, R? MOV A, MM MOV A, #II MOV R?, A MOV R?, AMOV MM, A MOV R?, #IIJC MM JZ MM JMP MMCALL MM RET移位指令：中断返回指令：输入/输出指令：RR A RL A RRC A RLC ARETIREAD MMWRITE MM INOUT4. 模型机指令格式该模型机微指令系统的特点（涉及其微指令格式的说明等）：1. 总体概述该模型机的微命令是以直接表达法进行编码的，其特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令。这种方法的优点是简朴直观，其输出直接用于控制。缺陷是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。2. 模型机微指令格式3. 模型机微指令格式的说明模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。微程序控制器由微程序给出24位控制信号，而微程序的地址又是由指令码提供的，也就是说24位控制信号是由指令码拟定的。该模型机的微指令的长度为24位，其中微指令中只具有微命令字段，没有微地址字段。其中微命令字段采用直接按位的表达法，哪位为0，表达选中该微操作，而微程序的地址则由指令码指定。24位控制位分别介绍如下： XRD ： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。 EMWR： 程序存储器EM写信号。 EMRD： 程序存储器EM读信号。 PCOE： 将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。EMEN： 将程序存储器EM与数据总线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： 将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。 EINT： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。 ELP： PC打入允许，与指令寄存器的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的值送到地址总线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?的选择由指令的最低两位决定。 RWR： 写寄存器组R0-R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。 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内部的标志寄存器。 X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。X2 X1 X0输出寄存器0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 1IA_OE 中断向量0 1 0ST_OE 堆栈寄存器0 1 1PC_OE PC寄存器1 0 0D_OE 直通门1 0 1R_OE 右移门1 1 0L_OE 左移门1 1 1没有输出WEN： 将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。 AEN： 将数据总线DBUS的值打入累加器A中。 S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W 减0 1 0A|W 或0 1 1A&W 与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0A A取反1 1 1A 输出A2. 计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法算法流程图：开始设立乘数、被乘数、累加器R1是否为0 Y NR1进位右移 是否进位 N YR0加入结果寄存器被乘数R0左移结束 硬件原理框图： RDL乘数右移被乘数右移R0保存结果 判断乘数末位 ALUWAR2R1乘数被乘数（2）无符号除法算法流程图：开始初始化被除数R0，除数R1，商R2，计数器R3做减法余数为负 N Y除数右移商左移除数右移商左移商为1商为0结束结束做加法 N N计算余数 Y Y输出结果结束 硬件原理框图： 商左移RDL除数右移R0（商） 判断乘数末位 ALUR0（计数器）WAR2R1除数被除数3相应于以上算法如何分派使用COP2023实验仪中的硬件（1）无符号乘法 硬件名称实现算法功能描述寄存器R0 初始化时，用来存放被乘数； 在程序执行的过程中，用来存放向左移位后的被乘数。寄存器R1 初始化时，用来存放乘数； 在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的乘数。寄存器R2计算时用来存放部分积和最后的积累加器A执行ADD A,R?（加法）、SHL R?（左移一位）、SHR R?（右移一位）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执行ADD A,R?（加法）、TEST R?,#II（测试R2的末位）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。左移门L用来实现相应数据左移一位的运算，并可以控制该运算后的结果是否输出到数据总线。直通门D用来控制ALU的执行结果是否输出到数据总线。右移门R用来实现相应数据右移一位的运算，并可以控制该运算后的结果是否输出到数据总线。程序计数器PC 控制程序按顺序正常执行； 当执行转移指令时，从数据线接受要跳转的地址，使程序可以按需要自动执行。 当要从EM中读取数据时，由PC提供地址。存储器EM存储指令和数据。微程序计数器PC向微程序存储器M提供相应微指令的地址。微程序存储器M存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（本实验未用）。堆栈ST当存储于累加器A的值将要受到破坏时，将其数据保存在堆栈ST中，使程序可以正常地执行。（2）无符号除法硬件名称实现算法功能描述寄存器R0初始化时，用来存放被除数和计算后的余数。寄存器R1 初始化时，用来存放除数； 在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的除数。寄存器R2在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。寄存器R3当作计数器使用，用来控制程序是否结束。累加器A 计算时用来存放中间结果； 执行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（减法）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执行SUB A,R?（减法）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。左移门L用来实现相应数据左移一位的运算，并可以控制该运算后的结果是否输出到数据总线。直通门D用来控制ALU的执行结果是否输出到数据总线。右移门R用来实现相应数据右移一位的运算，并可以控制该运算后的结果是否输出到数据总线。程序计数器PC 控制程序按顺序正常执行； 当执行转移指令时，从数据线接受要跳转的地址，使程序可以按需要自动执行。 当要从EM中读取数据时，由PC提供地址。存储器EM存储指令和数据。微程序计数器PC向微程序存储器M提供相应微指令的地址。微程序存储器M存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（本实验未用）。堆栈ST当存储于累加器A的值将要受到破坏时，将其数据保存在堆栈ST中，使程序可以正常地执行。4在COP2023集成开发环境下设计全新的指令/微指令系统设计结果如表所示（可按需要增删表项）（1） 新的指令集（假如针对乘除法设计了两个不同指令集要分别列表）助记符机器码1机器码2指令说明_FATCH_ 000000xx00-03实验机占用，不可修改。复位后，所有寄存器清0，一方面执行 _FATCH_ 指令取指。MOVR?,#II000001xx04-07II将立即数II存放到寄存器R?中。MOV R?,A000010xx08-0B将寄存器A内容送入寄存器R?中MOV A,R?000011xx0C-0F将寄存器R?中的数放入累加器A中。ADD R?,A 000100xx10-13将累加器A中的数加入到寄存器R?中，并影响标志位。ADD A,R?000101xx14-17将寄存器R?中的数加入到累加器A中SUB A,R?000110xx18-1B将寄存器A中的数据与R?中的内容相减，结果存入A中。ADDR?,#II000111xx1C-1FII将寄存器R?中的数据与立即数相与,结果存入R?。NOT R?001000xx20-23将寄存器R?中的数据取反。RL R?001001xx24-27将寄存器R?中的数据逻辑左移一位。RR R?001010xx28-2B将寄存器R?中的数据逻辑右移一位。RLC R?001011xx2C-2F将寄存器R?中的数据带进位左移一位。RRC R?001100xx30-33将寄存器R?中的数据带进位右移一位。CLR R?001101xx34-37将寄存器R?中的内容清零。TEST R?001110xx38-3B测试寄存器R?中的内容是否为零。ENDP001111xx3C-3F程序结束。JC MM010000XX 40-43MM若进位标志位置1，跳转到MM地址。JZ MM010001XX 44-47MM若零标志位置1，跳转到MM地址。JMP MM010010 48-4BMM无条件跳转到MM地址。（2） 新的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mPCPC_FATCH_T0 00CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+101FFFFFF浮空浮空A输出+102FFFFFF浮空浮空A输出+103FFFFFF浮空浮空A输出+1MOV R?,#IIT104C7FBFF存储器值EM寄存器R？PC输出A输出+1+1T005CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+106FFFFFF浮空A输出+1+107FFFFFF浮空A输出+1+1MOV R?,AT108FFFB9FALU直通寄存器R？浮空A输出+1T009CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+10AFFFFFF浮空浮空A输出+10BFFFFFF浮空浮空A输出+1MOV A,R?T10CFFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T00DCBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+10EFFFFFF浮空浮空A输出+10FFFFFFF浮空浮空A输出+1ADD R?,AT210FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T111FFFB98ALU直通寄存器R？浮空A输出+1T012CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+113FFFFFF浮空浮空A输出+1ADD A,R?T214FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T115FFFE90ALU直通寄存器A,标志位C,Z浮空A输出+1T016CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+117FFFFFF浮空浮空A输出+1SUB A,R?T218FFF7EF寄存器值R？寄存器W浮空A输出+1T119FFFE91ALU直通寄存器A,标志位C,Z浮空减运算+1T01ACBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+11BFFFFFF浮空浮空A输出+1AND R?,#IIT31CC7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1T21DFFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T11EFFFB9BALU直通寄存器R?浮空与运算+1T01FCBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+1NOT R?T220FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T121FFFB9EALU直通寄存器R?浮空A取反+1T022CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+123FFFFFF浮空浮空A输出+1RL R?T224FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T125FFF8DFALU左移寄存器R?,标志位C,Z浮空A输出左移+1T026CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+127FFFFFF浮空浮空A输出+1RR R?T228FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T129FFF8BFALU右移寄存器R?,标志位C,Z浮空A输出右移+1T02ACBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+12BFFFFFF浮空浮空A输出+1RLC R?T22CFFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T12DFFFADFALU左移寄存器R?,标志位C,Z浮空A输出带进位左移+1T02ECBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+12FFFFFFF浮空浮空A输出+1RRC R?T230FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T131FFFABFALU右移寄存器R?,标志位C,Z浮空A输出带进位右移+1T032CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+133FFFFFF浮空浮空A输出+1CLR R?T334FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T235FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T136FFFB99ALU直通寄存器R？浮空减运算+1T037CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+1TEST R?T338FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T239FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T13AFFFE92ALU直通寄存器R？,标志位C,Z浮空或运算+1T03BCBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+1ENDPT03CCBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+13DFFFFFF浮空浮空A输出+13EFFFFFF浮空浮空A输出+13FFFFFFF浮空浮空A输出+1JC MMT140C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T041CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+142FFFFFF浮空浮空A输出+143FFFFFF浮空浮空A输出+1JZ MMT144C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T045CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+146FFFFFF浮空浮空A输出+147FFFFFF浮空浮空A输出+1JMP MMT148C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T049CBFFFF浮空指令寄存器IR PC输出A输出写入+14AFFFFFF浮空浮空A输出+14BFFFFFF浮空浮空A输出+15用设计完毕的新指令集编写实现无符号二进制乘法、除法功能的汇编语言程序（1）乘法4位乘法的算法流程图与汇编语言程序清单：汇编语言程序清单：MOV R0,#07H ;初始化被乘数MOV R1,#05H ;初始化乘数CLR R2 ;R2 ;清零P1: TEST R1 ;测试乘数是否为0JZ W ;是0跳转，程序结束RRC R1 ;进位右移JC S ;CF=1,跳到SP2: RL R0 ;R0左移JMP P ;跳到PP3: MOV A,R0 ADD R2,A JMP Q P4: ENDPL: JMP L（2）除法 4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：汇编语言程序清单： MOV R0,#63H ;初始化被除数 MOV R1,#08H ;初始化除数 MOV A,R1 MOV R3,A RR R3 ;初始化计数器 CLR R2 ;清零商 TEST R1 ;检查除数是否为0 JZ C0 ;是0，跳转报错 RL R1 RL R1 RL R1 RL R1 ;对齐被除数与除数 MOV A,R0 SUB A,R1 ;判断商是否不超过5位 JC B1 ;不超过，跳转 JMP C0 ;超过，报错B0: MOV A,R3 SUB A,R1 JZ C1 ;控制循环次数 MOV A,R0 SUB A,R1 JC B1 JMP B2 ;余数为正，做减法B1: ADD A,R1 ;余数为负，做加法B2: MOV R0,A RR R1 ;右移除数 RLC R2 ;余数为负则C=1，左移上1；余数为正则C=0，左移上0 JMP B0 ;跳转C0: MOV R0,#0FFH ;报错 MOV R1,#0FFH MOV R2,#0FFH MOV R3,#0FFH JMP ENDDC1: NOT R2 ;取反得商 AND R2,#0FH ;商不超过4位ENDD: ENDPP: JMP P6上述程序的运营情况（跟踪结果）按下表填写描述以上各程序运营情况的内容。按每个程序一张表进行。1.乘法程序运营的过程汇 编 指 令程序地址机器码指令说明微程序PC mPC运营时寄存器或存储器的值MOV R0,#07H000407C7FBFFCBFFFF01020405R0=07,EM=07,IR=04MOV R1,#05H020505C7FBFFCBFFFF03040405R1=05,EM=05,IR=05CLR R20436FFF7F7FFF7EFCBFFFF0534353637IR=36,EM=36,R2=0,A=0,W=0TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BIR=39,EM=39,R1=05,A=05W=05JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABFCBFFFF09303132EM=31,IR=31R1=02JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0EMOV A,R00E0CFFF7F7CBFFFF0F0C0DEM=0C,IR=0CR0=07,A=07ADD R2,A0F12FFF7EFFFFB98CBFFFF10101112EM=12,IR=12R2=0,W=0R2=07JMP P210480BC6FFFFCBFFFF110B4849EM=48,IR=48EM=0BRL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24R0=07,A=07R0=0EJMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BEM=39,IR=39R1=02,A=02W=02A=02JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABFCBFFFF09303132EM=31,IR=31R1=02,A=02R1=01JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0ERL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24R0=0E,A=0ER0=1CJMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BEM=39,IR=39R1=01,A=01W=01A=01JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABFCBFFFF09303132EM=31,IR=31R1=01,A=01R1=00JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0EMOV A,R00E0CFFF7F7CBFFFF0F0C0DEM=0C,IR=0CR0=1C,A=1CADD R2,A0F12FFF7EFFFFB98CBFFFF10101112EM=12,IR=12R2=07,W=07R2=23JMP P210480BC6FFFFCBFFFF110B4849EM=48,IR=48EM=0BRL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24R0=1C,A=1CR0=38JMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BEM=39,IR=39R1=00,A=00W=00A=00JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07124445EM=44,IR=44EM=12E