计算机组成原理课程设计报告(江苏大学_适用于软件工程).doc

江苏大学 计算机组成原理课程设计报告 专业名称： 软件工程班级学号：软件1001 学生姓名： 张建彬指导教师： 杨旭东 设计时间： 2012年6月 11 日 2012年6月20日第一天 取操作数微程序的设计和调试1、 设计目标 设计并调试取操作数的微程序 二、取操作数微流程三、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：立即寻址，直接寻址运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令0000077a 5678 0010mov #5678h，0010h运行结果及分析：从微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-01b01f-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007-044-047-072-000，将结果mov到内存里。2、测试内容：立即寻址，寄存器运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令00000761 5678 mov #5678h，r1运行结果及分析：从微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。由grs可以看出最终结果由0000变成了5678。4、 设计中遇到的问题及解决办法 才开始的时候，对软件的应用不是很熟悉，遇到一些麻烦，在同学的帮助下，解决了软件应用问题。第二天 运算指令的微程序设计与调试1、 设计目标 设计并调试运算指令的微程序。二、运算指令微程序入口地址指令助记符指 令 编 码入口地址（h）fedcba9876543210movsrc, dst000001源地址码目的地址码044addsrc, dst000010源地址码目的地址码048addcsrc, dst000011源地址码目的地址码04csub src, dst000100源地址码目的地址码050subbsrc, dst000101源地址码目的地址码054cmpsrc, dst000110源地址码目的地址码058andsrc, dst000111源地址码目的地址码05cor src, dst001000源地址码目的地址码060xor src, dst001001源地址码目的地址码064testsrc, dst001010源地址码目的地址码068inc dst00000010001目的地址码0a4dec dst00000010010目的地址码0a8not dst00000010011目的地址码0ac三、运算类指令微程序微地址(h)微指令(h)微命令bmna注释00700000800op4xxx指令执行入口0489870006ftroe, add, sce, pswce006fadd04c98b0006ftroe,addc,sv,pswce006faddc05098f0006ftroe,sub,sv,pswce006fsub06f00000e707070存结果07068000000soe,grsce0000alu运算，结果送寄存器07160030072soe,drce0072结果送存储器07200052000droe,aroe,wr0000四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：add运算运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令000000020761 56780b61 f000mov #5678h，r1add #f000, r1运行结果及分析： 从微地址可以看出，第一阶段先是取第一条指令（mov #5678h，r1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在grs可以看出由0000变成了5678。第二阶段先是取第二条指令（add #f000, r1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-048-04f-070-000，是add运算，结果存放在寄存器grs中，可以看出结果为4678，并且产生进位，szoc=0001，正确。五、设计中遇到的问题及解决办法 指令的入口地址开始时没看懂，在同学的点拨下明白了。再是写微程序阶段，完成微程序的输入后，输入时由于不太仔细有一些错误，经过调试发现并改正了错误。经过对每条运算的测试，一些结果不对，在自己的一步一步的查找中，通过和同学的微程序的对照，一一弄懂并改正了。第三天 cpu硬件的初级设计与验证一、设计目标 在运算器实验的基础上对硬件进行扩充，建立初级cpu的数据通路，构造一个只支持运算指令的初级cpu。二、硬件设计1、pc模块设计（加上适当注释）module pc(d,q,n_reset,clk,ce,pcinc); input 15:0 d; input n_reset,clk,ce; input pcinc; output 15:0 q; reg 15:0 data;always (posedge clk or negedge n_reset) begin if (!n_reset)data = 0; else if (ce)data = d;else if(pcinc)data = data+1; endassign q = data;endmodule2、ir模块设计module ir #(parameter datawidth=16)(input wire datawidth-1:0 d, input wire clk, input wire ce, input n_reset, output reg datawidth-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) begin if (!n_reset)q = 0; else if (ce)q = d;enddr:module dr #(parameter datawidth=16)(input wire datawidth-1:0 data_ib, input wire datawidth-1:0 data_db, input wire clk, input wire drce_ib, input wire drce_db, input n_reset, output reg datawidth-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) begin if(!n_reset)q=0;else if(drce_ib)q=data_ib;else if(drce_db)q=data_db; endendmodule3、顶层模块设计（自己增加的设计部分）/tr/tr寄存器的实例化r #(datawidth) tr(.q(tr_out),.d(ib),.clk(clock),.ce(trce),.n_reset(n_reset);buffer #(datawidth) reg_buffer(.q(ib), .d(tr_out), .oe(troe);/ ar/ar寄存器的实例化r #(datawidth) ar(.q(ar_out),.d(ib),.clk(clock),.ce(arce),.n_reset(n_reset);buffer #(addrwidth) ar_ab(.q(ab), .d(ar_out), .oe(aroe_ab);buffer #(addrwidth) ar_ib(.q(ib), .d(ar_out), .oe(aroe_ib);/ir/ir寄存器的实例化r #(datawidth) ir(.q(ir_out),.d(ib),.clk(clock),.ce(irce),.n_reset(n_reset);/pcpc pc(.d(ib), .q(pc_out), .n_reset(n_reset), .clk(clock), .ce(pcce), .pcinc(pcinc);buffer #(datawidth) pc_buffer(.q(ib), .d(pc_out), .oe(pcoe);/drdr #(datawidth) dr(.q(dr_out), .data_ib(ib), .data_db(db), .clk(clock), .drce_ib(drce_ib), .drce_db(drce_db), .n_reset(n_reset);buffer #(datawidth) dr_db(.q(db), .d(dr_out), .oe(droe_db);buffer #(datawidth) dr_ib(.q(ib), .d(dr_out), .oe(droe_ib);三、验证1、测试内容：add运算运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令000000020761 56780b61 f000mov #5678h，r1add #f000, r1结果和第二天的一样，说明硬件扩充正确。四、设计中遇到的问题及解决办法 在写tr,ar,ir的实例化代码时，没注意是用寄存器模块r实例化得到的，经过报错和仔细看书后，发现了问题，成功改正过来了。完成程序运行出了问题，经过查找发现是dr模块出了问题，if(!n_reset)q=0;else if(drce_ib)q=data_ib;else if(drce_db)q=data_db;这一句被我写成了if(!n_reset)q=0;else if(drce_ib)q=data_ib;else q=data_db。第四天 为cpu扩充转移指令一、设计要求 在初级cpu的基础上进行功能扩充，使其支持转移类指令二、硬件uag模块设计（自己修改的设计部分，加上适当注释）3d3:uagout = na8:1,bm3_uar0; /3,根据条件转移指令操作码psw的zf,of,sf,cf状态标志决定微地址/第四天always(szoc, ir) begin case(ir7:6)/ 条件转移类指令 2b00: flag_mux=szoc0; 2b01: flag_mux=szoc1; 2b10: flag_mux=szoc2; 2b11: flag_mux=szoc3; default:flag_mux002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在grs可以看出由0000变成了5678。第二阶段先是取第二条指令（add #f000, r1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-048-04f-070-000，是add运算，结果存放在寄存器grs中，可以看出结果为4678，并且产生进位，szoc=0001，正确。第三阶段，进入jc指令，因为c=1，有进位，所以条件满足，执行的是075-077-000，正确。五、设计中遇到的问题及解决办法 程序中误将赋值符号=写成了=, 被同学发现，及时修改，并成功得到解决。第五天 为cpu扩充移位指令一、设计目标 在前面的cpu的基础上扩充硬件，使其支持移位指令。二、硬件设计1、shifter模块设计（加上适当注释）wire data_lsb; wire data_hsb; /*/ */ 第五天要修改的代码 */assign data_lsb = 1b0 ; /assign data_hsb = 1b0 ; mux#(1) mux_1(.d1(0),.d2(0),.d3(d15),.d4(cf),.q(data_lsb),.addr(ir76); mux#(1) mux_2(.d1(d15),.d2(0),.d3(d0),.d4(cf),.q(data_hsb),.addr(ir76);/ 根据不同的移位指令，实例化两个四选一多路器，重新形成data_lsb和data_lsb */ 多路器mux在工程文件中已提供 */ */*2、cf模块设计timescale 1ns / 1psmodule cf(d15, d0, cout, q, sl, sr);input d15, d0, cout;input sl, sr;output q;reg q;always (*)begincase (sl, sr)3b01: q = d0;3b10: q = d15;default:q = cout;endcaseendendmodule3、ir_decode模块设计（自己增加修改的设计部分）2b00:bm4_ua002-003再是取目的操作数，006-01b-01f-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007-092-06f-070，执行sar指令。由下一条指令可以看出结果变成了03b0，为右移后的结果，正确。四、设计中遇到的问题及解决办法 在实例化两个四选一多路器时，给data_lsb,data_hsb初始化了，导致运行结果出错，经过老师的指导，改正正确。第六天 为cpu扩充堆栈类指令一、设计目标 在前面的cpu的基础上增加堆栈，使其支持与堆栈有关的push、pop、call、ret指令二、硬件设计1、sp模块设计（加上适当注释）timescale 1ns / 1psmodule sp(q,d,clk,ce,n_reset); parameter datawidth=16; output datawidth-1:0 q; input datawidth-1:0 d; input clk,ce,n_reset; reg datawidth-1:0 q;always (posedge clk or negedge n_reset)beginif (!n_reset) q =16 h003f; /当复位信号有效时，sp的输出为03felse if (ce) /当使能信号有效时，输出就是输入的内容q = d; endendmodule2、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）sp #(datawidth) sp(.d(ib), .q(sp_out), .clk(clock), .ce(spce), .n_reset(n_reset);buffer #(datawidth) sp_ib(.q(ib),.d(sp_out),.oe(spoe);三、push、pop、call、ret指令微程序的设计push（堆栈指令）微地址(h)微指令(h)微命令bmna注释0c0f43000c1spoe,ace,sv00c1取sp0c162b300c2soe,dec,sv,drce00c2sp-10c27c0800c3soe, spce, arce00c3sp-1后的地址0c300052000droe, aroe, wr0000将内容写入sp-1所指向的内存中pop（压栈指令）微地址(h)微指令(h)微命令bmna注释0c8b00000c9aroe, trce00c9将目标地址先存放在暂存器中0c9f40800caspoe, arce, ace00ca取sp 0ca027610cbrd, aroe, drce, inc,sv00cb读出sp所指向的内容，sp-10cb800800cctroe, arce00cc取目标地址0cc7c052000aroe,droe,wr,soe,spce0000将sp中的内容写入目标地址call（子程序调用指令）微地址(h)微指令(h)微命令bmna注释0d0f40000d1spoe, ace00d1栈顶单元减一，并保存原pc内容0d1b2b000d2dec,sv, aroe, trce00d20d27c0800d3soe,arce,spce00d3将sp-1送入sp和ar中0d3200300d4pcoe,drce00d4将pc内容放入dr0d484052000aroe,droe,wr,troe,pcce0000写入栈顶单元ret（返回指令）微地址(h)微指令(h)微命令bmna注释03cf408003dspoe, arce, ace003d03d0276103frd, aroe, drce, inc,sv003f03fc4000040droe, pcce00400407c000000soe, spce0000四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：push（堆栈指令）运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令0000031a 0004push 0004h运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001-002-003再是取目的操作数，006-01b-01f-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，0c0-0c1-0c2-0c3-000，执行push指令。dr中为0004h里的内容5ee2。同时可以看出sp始终为3f。push指令正确。2、测试内容：pop（压栈指令） 运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令0002033a 0008hpop 0004h运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001-002-003再是取目的操作数，006-01b-01f-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，0c8-0c9-0ca-0cb-0cc-000，执行pop指令。sp减一变为3e。在内存中可以看出，0008h中的内容变成了0004h中的内容5ee2。pop指令执行正确。3、测试内容：call（子程序调用指令） 运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令00000010035a 00100760 5555call 0010hmov #5555,r0运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段是取第一条指令（call 0010h），001-002-003，再是取目的操作数，006-01b-01f-024-025-026-007，最后是执行阶段，007-0d0-0d1-0d2-0d3-0d4-000，sp减一变为3e，pc转到0010h；第二阶段先是取第二条指令（mov #5555h，r0）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在grs可以看出由0000变成了5555。4、测试内容：ret（返回指令）运行数据：内存地址(h)机器码(h)汇编指令000200120761 56780002mov #5678，r1ret运行结果及分析： call执行完后，pc跳转到0012h，所以第一阶段先是取第二条指令（ret）001-002-003，然后执行ret，007-03c-03d-03f-040-000，sp加一变为3f，跳转回到原pc，0002h处，进入第二阶段，先是取第一条指令（mov #5678，r1），001-002-003，再是取源操作数，004-00b-00f-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在grs可以看出由0000变成了5678。 四、设计中遇到的问题及解决办法 写微指令时遇到许多问题，刚开始没弄明白各条指令的意思，然后经过同学的讲解，弄懂了各个指令的意思，通过参考书籍，成功的写出了各个指令的微程序。第七天 为cpu扩充中断系统一、设计目标 在前面cpu的基础上增加中断系统，使其支持键盘中断。二、硬件设计1、if（可只写自己增加修改部分。并加上适当注释）if(!n_reset or cli)if=0;else if(sti)if=1;2、intcif(kr)va_out=h0020;else if(pr)va_out=h0021;3、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）/第七天：if、intc的实例化 *if if(.clk(clock), .n_reset(n_reset), .sti(sti), .cli(cli), .if(if_out);intc intc(.kr(kr), .pr(pr), .intr(intr), .va_out(va_out);buffer #(datawidth) va_b(.q(db), .d(va_out), .oe(inta);三、微程序设计1中断响应隐指令的微程序设计微地址(h)微指令(h)微指令字段(h)微命令f0f1f2f3f4f5f6f7f8f9081f40050827500