计组课设-微指令设计实验

1、计算机组成原理课程设计报告班级：计算机/物联网 班 姓名： 学号： 完成时间： 2016.1.14 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除法

2、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 COP2000实验仪l PC机2软件l 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该模型机指令系统的特点： 从指令字长来看该模型机指令系统包含单字长和双字长两种格式的指令，字长为8位，对于需要访问内存的指令都是双字长的，指令系统中大多数指令是单字长；从指令操作码是定长和变长来看，这里认为，虽然ADD A, R?和ADD A, R?都是执行加法操作，但他们是不同的指令，将指令格式中寻址寄存器的两位也认为是操作码的一部分，这两条指令的操作码不同。因此

3、，指令系统的指令格式是定长操作码的，操作码为6位。1)双字长的指令格式如下：AOP R？举例： 助记符 机器码1 机器码2 ADD A, MM 000110xx MM ADD A, #II 000111xx II MOV A, MM 011110xx MM2)单字长的指令格式如下：OP R？举例：助记符 机器码1 机器码2 ADD A, R? 000100xx OR A, R? 011000xx MOV R?, A 100000xx 该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：该模型机微指令系统的微指令格式是水平型微指令，微指令的字长为24位，是机器字长的3倍，每条微指令仅包含微操作

4、控制字段，无顺序控制字段。操作控制字段的每一位对应一个微操作，采用字段直接译码的方式对系统进行控制。微指令的具体格式如下：IRENPCOES0S1S2AENWENX0X1X2FENCNRWRRRDSTENOUTENMAROEMARENELPEINTEMENEMRDEMWRXRD举例：微指令CBFFFF：取指令110010111111111111111111表2 微指令控制信号的功能操作控制信号控 制 信 号 的 说 明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AB

5、US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PC。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。ELPPC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R0R3，寄存

6、器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写寄存器组R0R3，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。X2X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。X1X0WEN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。S2S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。S1S0COP2000中有7个寄存器可以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

7、 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COP2000中的运算器由一片EPLD实现. 有8种运算, 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。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

8、除法的原理（1）无符号乘法算法流程图：硬件原理框图：（2）无符号除法算法流程图：硬件原理框图：3对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件（初步分配，设计完成后再将准确的使用情况填写在此处）1）乘法程序的硬件分配：硬件名称在乘法算法中的功能R01用来存放被乘数2保存乘积结果R1用来存放乘数R2未使用R3用做计数器，来控制程序循环次数A1、存放中间结果2、用来存放操作数参加ALU的运算W用来存放操作数参加ALU的运算PC程序计数器EM内存（存放程序）IR指令寄存器ST堆栈寄存器，可以用来暂存寄存器A的值MAR地址寄存器2）除法程序的硬件分配硬件名称在除法运算中的功能R0用来存放被除数

9、R1用来存放除数R2用来存放商R31用作计数器，控制循环的次数2保存余数A1、存放中间数据2、用来存放操作数参加ALU的运算W用来存放操作数参加ALU的运算PC程序计数器EM内存（存放程序）IR指令寄存器ST堆栈寄存器，可以用来暂存寄存器A的值MAR地址寄存器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（可按需要增删表项）（1） 新的指令集（如果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_ 000000XX 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MOV R?,#II0000

10、01XXII将立即数II送到寄存器R?中MOV R?,A000010XX将累加器A的值送到寄存器R？中MOV A,R?000011xx将寄存器R？的值送入累加器A中AND A，#II000100xxII将立即数与累加器A中的数相与AND R？，#II000101xxII将立即数与寄存器R?中的数相与SHR R？000110xx寄存器R？带进位右移SHL R？000111xx寄存器R？带进位左移JC MM001000xxMM若进位标志置1，跳转到MM地址JZ MM001001xxMM若零标志置1，跳转到MM地址ADD R?，#II001010xxII将寄存器R？中的数与立即数相加ADD A,R？

11、001011xx将累加器与寄存器R?相加，结果存入累加器SUB R？，#II001100xxII将寄存器R？中的值与立即数相减SUB A,R?001101xx将累加器与寄存器R？的值相减，结果存入累加器CMP A，R？001110xx累加器与寄存器R？的值比较，结果影响进位、零标志JMP MM001111xxMM无条件跳转到MM处PUSH A010000xx将累加器中的值暂存POP A010001xx将暂存结果送回到累加器A中SHRN R?010010xx寄存器R?不带进位右移SHLN R?010011xx寄存器R?不带进位左移TEST 010100xx（2） 新的微指令集助记符 状态 微地址

12、 微程序 数据输出 数据打入 地址输出 运算器 移位控制 uPC PC _FATCH_ T000CBFFFFF指令寄存器IR PC输出 A输出 写入+101FFFFFFA输出+102FFFFFFA输出+103FFFFFFA输出+1MOV R?,#IIT104C7FBFF存储器EM寄存器R？PC输出A输出+1+1T005CBFFFF指令寄存器PC输出A输出写入+106FFFFFFA输出+107FFFFFFA输出+1MOV R?，AT108FFFB9FALU直通寄存器R？A输出+1T009CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+10AA输出+10BA输出+1MOV A,R?T1OCFFF7F

13、7寄存器值R？寄存器AA输出T0ODCBFFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+10EFFFFFFA输出+10FFFFFFFA输出+1AND A,#IIT210C&7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T111FFFE93ALU直通寄存器A标志位C、Z与运算+1T012CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+113FFFFFFA输出+1AND R?,#IIT314C7FFEF存储器EM寄存器WPC输出A输出+1+1T215FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA输出+1T116FFFA9BALU直通寄存器R？标志位C、Z与运算+1T017CBFFFF指令寄存器IRP

14、C输出A输出+1+1SHR R?T318FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T219FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA输出+1T11AFFFABFALU右移寄存器R？标志位C、ZA输出带进位右移+1T01BCBFF57堆栈寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SHL R?T31CFFEF9FAlU直通推展寄存器STA输出+1T21DFFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T11EFFFADFALU左移寄存器R？标志位C、ZA输出带进位左移+1T01FCBFF57堆栈寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1JC MMT120C6FFFF存储器值EM寄存

15、器PCPC输出A输出+1+1T021CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+122FFFFFFA输出+123FFFFFFA输出+1JZ MMT124C6FFFF存储器值EM寄存器PCPC输出A输出+1+1T025CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+126FFFFFFA输出+127FFFFFFA输出+1ADD R?,#IIT328FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T229C7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T12AFFFA98ALU直通寄存器R？标志位C、Z加运算+1T02BCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1ADD A,R?T22CFFF7

16、EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T12DFFFE90ALU直通寄存器R？标志位C、Z加运算+1T02ECBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+12FFFFFFFA输出+1SUB R?,#IIT330FFF7F7寄存器值R？ 寄存器AA输出+1T231C7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T132FFFA99ALU直通寄存器R？标志位C、Z减运算+1T033CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUB A,R?T234FFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T135FFFE91ALU直通寄存器A标志位C、Z减运算+1T036CBFFFF指令寄存器IRPC输出A

17、输出写入+137FFFFFFA输出+1CMP A,R?T338FFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T239FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T13AFFFE91ALU直通寄存器A标志位C、Z减运算+1T03BCBFF57堆栈寄存器寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出+1+1JMP MMT13CC6FFFF存储器EM寄存器PCPC输出A输出+1+1T03DCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+13EFFFFFFA输出+13FFFFFFFA输出+1PUSH AT140FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T041CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+142

18、FFFFFFA输出+143FFFFFFA输出+1POP AT144FFFF57堆栈寄存器ST寄存器AA输出+1T045CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+146FFFFFA输出+147FFFFFA输出+1SHRN R?T348FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T249FFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T14AFFF9BFALU右移寄存器R？A输出右移+1T04BCBFF57堆栈寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SHLN R?T34CFFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T24DFFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T14EFFF9D

19、FALU左移寄存器R？A输出左移+1T04FCBFF57堆栈寄存器寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1TEST R?T350C7FFEF存储器值EM 寄存器WPC输出A输出+1T251FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T152FFFE93ALU直通寄存器A标志位C与运算+1T053CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+15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4位乘法的算法流程图与汇编语言程序清单：1）流程图如下：2）汇编语言程序清单如下：MOV R3#0FH 将A赋值，用于比较MOV A,R3MOV R0,#0FH-被乘数在R0

20、中TEST R0,#0FH 判断被乘数是否为0，是则结束 JZ T3 判断被乘数是否溢出，是则结束CMP A,R0 JC T3MOV R1,#0FH-乘数在R1中TEST R1,#0FH 判断乘数是否为0，是则结束 JZ T3CMP A,R1 判断乘数是否溢出，是则结束MOV R3,#04HAND A,#00HLOOP1: SHR R1 JC T1 JMP LOOP2T1:ADD A,R0LOOP2:SHLN R0 PUSH A SUB R3,#01H POP A JZ T2 JMP LOOP1T2:MOV R0,A-乘积结果在R0中 JMP EN T3:MOV R0,#00H EN:END

21、JMP END（2）除法 4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：1）算法流程图如下1）算法流程图如下2）汇编语言程序清单如下：MOV R0,#87H-被除数在R0中MOV R1,#0DH-除数在R1中MOV R3,#04HAND R2,#00H-商在R2中TEST R1，#0FHJZ FLSHLN R1SHLN R1SHLN R1SHLN R1MOV A,R0CMP A,R1JC T1JMP FLT1: SHRN R1 SHLN R2 CMP A,R1 JC T2 SUB A,R1 PUSH A ADD R2,#01H POP AT2:PUSH A SUB R3,#01H POP A JZ

22、QT JMP T1QT:MOV R3,A-余数保存在R3中 JMP ENFL：MOV R2，#0FFH 报错处理R2为0FFHEN：END JMP EN6上述程序的运行情况（跟踪结果）按下表填写描述以上各程序运行情况的内容。按每个程序一张表进行。程序运行的过程1）乘法程序运行的过程2）除法程序运行的过程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/微指令系统设计的情况出现？请在此做具体说明。答：出现了问题。 之前没考虑到除数为0的异常操作，故操作中少了TEST R？，#II；之后补齐操作TEST R？，#II微程序：C7FFEFFFF7F7FFFE93CBFFFF 在设计MOV

23、 R？，#II指令时，EMRD没置低位，使程序在仿真上能运行，但在机器上运行时会置数FFH，之后EMRD置0后，在机器上正常运行。五、本次课程设计的总结体会（不少于200字） 主要总结学到的具体知识、方法及设计中的切身体会；包括列出在设计的各个阶段出现的问题及解决方法。1）加深了对指令系统、微指令系统的理解，自己亲自设计乘法和除法的指令系统，首先要了解指令的格式，包括单字长和双字长的指令，以及在指令设计时操作码和地址码的设计，运用何种寻址方式等等；通过设计微指令系统，了解微指令的格式，微指令控制部分的设计，以及如何设计与指令对应的微指令程序。2）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通过微程序控制器的设计，进一步了解了控制器如何控制各个部件的协同工作，通过有时序的读取一系列的微指令，产生对应于各个部件的控制信号，使各个部件产