组成原理课程设计 曲丽3062.docx

1、组成原理课程设计 曲丽3062计算机组成原理课程设计报告班级：09计算机 班 姓名： 学号 完成时间： 一、课程设计目的1在实验机上设计实现机器指令及对应的微指令（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对应关系；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COP2000实验仪，从详细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标，在COP2000的集成开发环境下，设计全新的指令系统并编写对应的微程序；之后编写实现乘法和

2、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 COP2000实验仪 PC机2软件 COP2000仿真软件四、课程设计的具体内容（步骤）1详细了解并掌握COP 2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现（1）该模型机指令系统的特点： 总体概述 COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：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

3、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。相比而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。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，用指令码做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，按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

4、，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。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。COP2000模型机指令的最低两位(IR0和IR1)用来寻址R0R3四个寄存器；IR2和IR3与ELP微控制信号，Cy和Z两个程序状态信号配合，控制PC的置数即程序的转移。各种转移的条件判断逻辑如下所示：PC 置数逻辑 当ELP=1时，不允许PC被预置 当ELP=0时 当IR3=1时，无论Cy和Z什么状态，P

5、C被预置 当IR3=0时 若IR2=0，则当Cy=1时PC被预置 若IR2=1，则当Z=1时PC被预置本模型机时序控制采用不定长机器周期的同步控制方式，一条指令最多分四个节拍。系统提供的默认指令系统包括以下7类指令：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,

6、 #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 INOUT该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：COP2000 模型机的

7、微指令字长为 24 位，全部为操作控制部分，不含顺序控制字段。微指令编码采用混合表示法，微地址形成采用计数器方式。微指令格式为水平型微指令。下面分别从为操作控制和顺序控制两方面进行说明：a. 微操作控制:24 位微操作控制信号含义如下表：表 1：COP2000 模型机 24 位微控制信号功能控制信号含义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

8、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，

9、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:X2、X1、X0 三位组合来译码选择将数据送到 DBUS 上的寄存器。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 S0S2、S1、S0 三位组合决定 ALU 做何种运算。X2 X1 X0被选中寄存器S2 S1 S0运算000IN000A+W001IA001A-W010ST

10、010A OR W011PC011A AND W100D100A+W+Cy101R101A-W-Cy110L110NOT A111无111Ab.模型机的寻址方式:表2 模型机的寻址方式模型机的寻址方式寻址方式说明指令举例指令说明累加器寻址操作数为累加器ACPL A将累加器A的值取反隐含寻址累加器AOUT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R0R3的寄存器中ADD A,R0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MOV A,R1将寄存器R1的值作为地址，把存储器EM中该地址的内容送入

11、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。AND A,40H将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值作逻辑与运算，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。SUB A,#10H从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器Ac. 顺序控制:COP2000 微程序控制器的微地址生成部件是一个计数器，分别控制该计数器的使能端（自动加一）和置数端（跳转至其他指令对应的位程序地址）生成微命令的地址。2。计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法实例演示：10101011=1101110 无符号乘法的实例演示如图1所示：1 0 1 0 1 0 1

12、1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 （0） 1 1 0 1 1 1 0 即：10010110=1101110图1 无符号乘法的实例演示硬件原理框图：图2 无符号乘法的硬件原理框图在模型机上实现无符号数乘法运算时，采用“加法移位”的重复运算方法。那么，无符号乘法的硬件原理框图如图2所示。算法流程图：图3 无符号乘法的算法流程图（2）无符号除法实例演示：无符号除法使用加减交替法，若余数为正，则下一步执行减法，商置1；反之商置0，下一步执行加法。011110111101 10101011110

13、10001001111011101111111011111100111010000011012313商为9，余数为6硬件原理框图：图5 无符号除法的硬件原理框图算法流程图：在模型机上实现无符号数除法运算时，采用“加减交替算法”的运算方法。因此，无符号除法的算法流程图如图6所示。图6 无符号除法的算法流程图3对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件由于循环控制运算时会占用累加器 A，因此参与运算的操作数均应保存在通用寄存器R0R3 中。资源分配如下：表3 无符号乘法的硬件分配情况硬件名称实现算法功能描述寄存器R0中间结果及最终结果寄存器R1被乘数（每次运算左移 1 位）寄存器R2乘

14、数（每次运算右移 1 位）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，并能够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，并能够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，从数据线接收要跳转的地址，使程序能够按需要自动执行。 当要从EM

15、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，使程序能够正常地执行。表4 无符号除法的硬件分配情况硬件名称实现算法功能描述寄存器R0被除数（部分余数，最终得到余数）寄存器R1除数（初始化时左移 4 位，每次计算时右移1位）寄存器R2商（低 4 位）寄存器R3当作计数器使用，用来控制程序是否结束（初始值5）。累加器A 计算时用来存放中间结果； 执行ADD A,R

16、?（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，并能够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，并能够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，从数据线接收要跳转的地址，使程序能够按需要自动执行。 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

17、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，使程序能够正常地执行。4在COP2000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 ：（1） 新的指令集(所设计的乘法与除法用一个指令系统中） 表1 新的指令系统列表助记符机器码1机器码2指令说明_FATCH_000000XX 00-03实验机占用，不可修改。复位后，所有寄存器清0，首先执行 _FATCH_ 指令取指。ADDR?,#II000001XX 04-07IIR?R?+立即数 IIADDR?,A000010XX

18、 08-0BR?A+R?SUBR?,#II000011XX 0C-0FIIR?R?-立即数IISUBR?,A000100XX 10-13R?R?-AMOVR?,#II000101XX 14-17R?R?MOVA, R?000110XX 18-1BAR?SHLR?000111XX 1C-1F3R?不带进位左移 1 位SHRR?001000XX 20-23R?不带进位右移 1 位PUSHA001001XX 24-27A压栈POPA001010XX 28-2B将栈顶元素值给AMOVR?,A001011XX 2C-2FR?AANDA,#II001100XX 30-33IIA与立即数 II进行与运算JZ

19、 MM001101XX 34-37MMZF=1 时跳转JMP MM001111XX 3C-3FMM跳转JC MM010000XX 40-43MMCF=1 时跳转（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PCPC_FATCH_T0-00CBFFFF浮空指令寄存器IRPC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+1ADD R? ,#ITT304FFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T205C7FFEF寄存器EM寄存器WPC输出A输出+1+1T106FFFA98ALU直通寄存器R？

20、标志位C,Z浮空加运算+1T007CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1ADDR?,AT208FFF7EF寄存器R?寄存器W浮空A输出+1T109FFFA98ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空加运算+1T00ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+10BFFFFFF浮空浮空A输出+1SUBR?,#ITT30CFFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出+1T20DC7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T10EFFFA99ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空减运算+1T00FCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUBR?,#ITT310FF

21、FF8FALU直通寄存器W浮空A输出+1T211FFF7F7寄存器R?寄存器A浮空A输出+1T112FFFA99ALU直通寄存器R？标志位C,Z浮空减运算+1T013CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1MOVR?,#ITT114C7FBFF存贮器值EM寄存器R？PC输出A输出写入+1T015CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+116FFFFFF浮空浮空A输出+117FFFFFF浮空浮空A输出+1MOVA,R?T118FFF7FB寄存器R?寄存器A浮空A输出+1 T019CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+11AFFFFFF浮空浮空A输出+11BFFF

22、FFF浮空浮空A输出+1SHL R?T21CFFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出T11DFFF9DFALU左移寄存器R？浮空A输出左移T01ECBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出1FFFFFFF浮空浮空A输出SUR R?T220FFF7F7寄存器R？寄存器A浮空A输出T121FFF9BFALU右移寄存器R？浮空A输出右移T022CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出23FFFFFF浮空浮空A输出PUSH AT124FFEF9FALU直通堆栈寄存器ST浮空T025CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出26FFFFFF浮空浮空A输出27FFFFFF浮空浮空A输出POP AT

23、128FFFF57堆栈寄存器STT029CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出2AFFFFFF浮空浮空A输出 2BFFFFFF浮空浮空A输出 MOVR? ,AT12CFFFB9FALU直通寄存器R？浮空A输出T02DCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出2EFFFFFF浮空浮空A输出2FFFFFFF浮空浮空A输出ANDA, #ITT230C7FFEF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出T131FFFE93ALU直通寄存A 标志位C，Z浮空与运算T032CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出33FFFFFF浮空浮空A输出JZ MMT234C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输

24、出A输出T135CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出T036FFFFFF浮空浮空A输出37FFFFFF浮空浮空A输出图7 新的微指令集截图5用设计完成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（详细执行过程见跟踪过程） MOV R0,#00H MOV R1,#09H MOV R2,#09HLOOP1: SUB R2,#00H JZ LOOP3 MOV A,R2 AND A,#01H JZ LOOP2 MOV A,R1 ADD R0,ALOOP2: SHL R1 SHR R2 JMP LOOP1LOOP3: END图8 无符号乘法流程图（2）除法（详细执行过程见跟踪过程） MOV R0,#86H MOV R1,#09H MOV R2,#00H MOV R3,#05H MOV A,R1 AND A,#0FFH JZ LOOP3 SHL R1 SHL R1 SHL R1 SHL R1 MOV A,R0 PUSH A MOV A,R1 SUB R0,A JC LOOP1 JMP LOOP3LOOP1: POP A MOV R0,A SHL R2 SHR R1 SUB R3,#01H JZ LOOP4 MOV A,R0 PUSH A M