计算机组成原理课设.docx
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计算机组成原理课设
微
程
序
控
制
器
的
设
计
与
实
现
目录
1.前言1
2.设计任务与要求1
2.1微程序控制器的设计与实现1
3.总体设计方案2
3.1设计目的2
3.2设计内容2
3.3工作原理2
4详细设计方案3
4.1设计思想3
4.2微指令格式3
4.3微指令的意义3
4.4微程序的设计5
5.调试过程6
5.1实验步骤6
5.2出现问题与解决方案13
6.小结1
7.参考资料1
1.前言
“计算机组成原理”是大学本科计算机相关专业的一门核心专业基础课程，必修，在先导课和后继课之间起着承上启下的作用，主要讲授单处理机系统的组成和工作原理，包括运算器、存储器、控制器和输入输出系统。
为了让学生能融会贯通各知识点，增强对计算机系统各模块协同工作的认识，充分理解数据通路，并且考虑到学生的基础和现有实验环境，本次课程设计的题目包含三个，分别是“微程序控制器的设计与实现”、“定点原码一位乘的设计与实现”、“无符号原码除法的设计与实现”，学生可以任选其中一个或多个。
通过该课程设计，希望学生在理论与实践相结合的基础上，加深对计算机整机概念，进一步理解计算机的内部结构和时空关系，掌握微程序控制器的设计思想和具体方法、步骤，掌握定点原码一位乘和无符号原码除法，从而提高自行设计、调试和分析问题的能力。
2.设计任务与要求
2.1微程序控制器的设计与实现
（a）指令系统能够实现数据的传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
（b）指令系统至少要包括六条指令，具有上述功能和寻址方式。
（c）根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微程序。
（d）将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给出测试思路和具体程序段。
3.总体设计方案
3.1设计目的
1.仔细复习所学过的理论知识，掌握微程序设计的思想，并根、据掌握的理论写出要设计的指令系统的微程序流程。
指令系统至少要包括六条指令，具有上述功能和寻址方式。
2.根据微操作流程及给定的微指令格式写出相应的微程序。
3.将所设计的微程序在虚拟环境中运行调试程序，并给出测试思路和具体程序段。
4.撰写课程设计报告。
3.2设计内容
按照要求设计一指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
3.3工作原理
a.将程序和数据通过输入设备送入存储器；
b.启动运行后，从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求什么事；
c.控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回到存储器指定的单元中；
d.运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。
4详细设计方案
4.1设计思想
编写一个指令系统，根据所编写的指令的功能来设计相应的微程序。
首先利用MOV传送指令来给寄存器和累加器传送立即数，实现立即数寻址；利用寄存器寻址方式，用ADDC指令对两者进行相加运算；利用寄存器间接寻址方式，用SUB指令实现减运算；利用累加器寻址方式，用CPL指令实现对累加器寻址；利用存储器寻址方式，用JMP指令实现程序的无条件跳转。
这样，所要设计的指令系统的功能就全部实现了。
4.2微指令格式
采用水平微指令格式的设计，一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。
4.3微指令的意义
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，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。
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：
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
如下表示：
X2
X1
X0
输出寄存器
0
0
0
IN_OE
外部输入门
0
0
1
IA_OE
中断向量
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
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。
通过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。
如下表所示：
S2
S1
S0
功能
0
0
0
A+W
加
0
0
1
A-W
减
0
1
0
A|W
或
0
1
1
A&W
与
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
4.4微程序的设计
一共设计六条微程序，如下：
MOVA,#II
MOVR?
#II
MOV@R?
A
ADDCA,R?
SUBA,@R?
CPLA
JMPMM
微程序控制器的体系结构
5.调试过程
5.1实验步骤
下面详细分析每条程序的设计：
1._FATCH_只用一个周期状态，程序执行的第一条取指的微指令该指令为一个周期状态，T0状态的设计及可控制信号如下：
2.MOVA,#II
该指令为两个周期状态
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
3.MOVR?
#II
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
4.MOV@R?
A
T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
5.ADDA,R?
T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
6.SUBA,@R?
该指令为三个周期状态，T3状态的设计及可控制信号如下：
T2状态的设计及可控制信号如下：
T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
7.CPLA
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
8.JMPMM
该指令为两个周期状态，T1状态的设计及可控制信号如下：
T0状态的设计及可控制信号如下：
调试过程
七条指令编写完成以后，选择菜单[文件|保存指令系统/微程序]功能，将新建的指令系统/微程序保存下来，以便以后调用。
将新的指令系统/微程序保存为“INST6.INS”。
在COP2000的ASM窗口中输入以下几行源程序：
MOVRO,#8H
LDA,#11H
ADDA,R0
SUBA,@R0
CPLA
JMP0
将程序另存为NEW_INST33.ASM，将程序汇编成机器码，观察反汇编窗口，会显示出程序地址、机器码、反汇编指令。
发现程序代码颜色会发生改变，点击复位按钮后进行单微指令的测试，如下图所示ASM微程序如下：
程序地址
机器码
反汇编指令
指令说明
00
0400
LDA,#00
立即数OOH存入累加器A
02
0801
ADDA,#01
累加器A值加1
04
10
OUTA
累加器A输出到输出端口OUT
05
0C02
GOTO02
程序无条件跳转到02地址
06
14
ADDC
A，Ro
07
18
SUB
A
微指令运行的结果
1）取指令：
2）MOVR0,#8H（将立即数装入寄存器R0）
3）MOVA,#11H（将立即数装入累加器A）
4）ADDA,R0
a）将寄存器R0的数据输出到累加器W中
b）累加器A与累加器W相加后把数据存入累加器A中
5）SUBA,@R0
a）把寄存器R0中的数据作为地址传送到地址寄存器MAR中
b）把存储器EM中对应地址寄存器MAR中地址的数据传送到W中
c）累加器A和累加器W相减后得到的数据传送到累加器A中
6）CPLA（累加器A求反后的数据再传送到累加器A中）
7）JMP0（无条件跳转地址00）
5.2出现问题与解决方案
1）程序在运行完中间某个指令后自动中断操作。
解决方案：
该指令的最后一个周期的缺少取指令，加上该微指令即可。
2）指令跳转操作在第一次可顺利完成，但在第二次会出现错误。
3）解决方案：
控制信号EM_RD应设为有效位，即允许读内存的信息。
4）每次都出现如下问题
解决方案：
将文件保存到另一个文件夹，并且规范命名，最终在多次的调试后得到解决。
6.小结
7.参考资料
白中英著《计算机组成原理第四版》北京：
科学出版社2008
李晓玲著《计算机组成原理课程设计指导书》河南：
中原工学院信息商务学院
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