计算机组成原理课程设计报告

1、计算机组成原理课程设计报告班级：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除法的程序进行设计的验证。

2、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该模型机指令系统的特点：1.模型机总体结构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

3、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，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精品文库

4、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“ CPLA”是将累加器A 值取反，还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“ADDA ，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 “ MO

5、V 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“ SUBA， #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

6、指令：数据传输指令：跳转指令：ADD A, R?AND A, R?MOV A, R?JC MMADD A, R?AND A, R?MOV A, R?JZ MMADD A, MMAND A, MMMOV A, MMJMP MMADD A, #IIAND A, #IIMOV A, #IICALL MM RETADDC A, R?OR A, R?MOV R?, AADDC A, R?OR A, R?MOV R?, AADDC A, MMOR A, MMMOV MM, AADDC A, #IIOR A, #IIMOV R?, #IISUB A, R?CPL ASUB A, R?SUB A, MMSUB

7、 A, #IISUBC A, R?SUBC A, R?SUBC A, MMSUBC A, #II欢迎下载2精品文库移位指令：中断返回指令：输入 / 输出指令：RR ARETIREAD MMRL AWRITE MMRRC AINRLC AOUT4. 模型机指令格式该模型机微指令系统的特点（包括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示法进行编码的，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单直观，其输出直接用于控制。缺点是微指令字较长，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

8、、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确定的。该模型机的微指令的长度为24 位，其中微指令中只含有微命令字段，没有微地址字段。其中微命令字段采用直接按位的表示法，哪位为 0，表示选中该微操作，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。欢迎下载3精品文库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

9、。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。ST

10、EN ： 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000IN_OE外部输入门001IA_OE中断向量010ST_OE堆栈寄存器011PC_OEPC 寄存器100D_OE直通门101R_OE右移门110L_OE左移门1

11、11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000A+W加001A-W减010A|W或011A&W与100A+W+C带进位加101A-W-C带进位减110AA 取反111A输出 A欢迎下载42. 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：开始设置乘数、 被乘数、 累加器YR1 是否为 0NR1 进位右移N是否进位YR0 加入结果寄存器被乘数 R0 左移结束硬件原理框图：LDR被判断乘数末位乘ALU数R0 保存结果右移AW

12、R1R2被乘数乘数精品文库乘数右移欢迎下载5精品文库（ 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N余数为负Y除数右移商为 1商为 0除数右移商左移商左移N结束N做加法结束YY计算余数输出结果结束欢迎下载6精品文库硬件原理框图：商LDR左移除判断乘数末位数R0（商）ALU右移AWR0（计数器）R1R2被除数除数3对应于以上算法如何分配使用COP2000 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

13、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 ADDA,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。 控制程序按顺序正常执行；程序计数器 PC 当执行转

14、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。微程序计数器向微程序存储器 M提供相应微指令的地址。欢迎下载7精品文库 PC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。（ 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

15、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。 计算时用来存放中间结果；累加器 A 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。 控制程序按顺序正常执行；程序计数器 PC 当执行转移指令时，从

16、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。微程序计数器向微程序存储器 M提供相应微指令的地址。 PC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。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）欢迎下载8精品文库助记符机器码 1机器码

17、 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0，00-03首先执行 _FATCH_ 指令取指。MOV000001xxII将立即数 II存放到寄存器 R?中。R?,#II04-07MOV000010xx将寄存器 A 内容送入寄存器 R?中R?,A08-0BMOV000011xx将寄存器 R?中的数放入累加器A 中。A,R?0C-0FADD000100xx将累加器 A中的数加入到寄存器R?中，并影响标志位。R?,A10-13ADD000101xx将寄存器 R?中的数加入到累加器A 中A,R?14-17SUB A,R?000110xx将寄存器 A 中的数据与

18、R?中的内容相减， 结果存入 A18-1B中。ADD000111xxII将寄存器 R?中的数据与立即数相与 ,结果存入 R?。R?,#II1C-1FNOT R?001000xx将寄存器 R?中的数据取反。20-23RL R?001001xx将寄存器 R?中的数据逻辑左移一位。24-27RR R?001010xx将寄存器 R?中的数据逻辑右移一位。28-2BRLC R?001011xx将寄存器 R?中的数据带进位左移一位。2C-2FRRC R?001100xx将寄存器 R?中的数据带进位右移一位。30-33CLR R?001101xx将寄存器 R?中的内容清零。34-37TEST R?00111

19、0xx测试寄存器 R?中的内容是否为零。38-3BENDP001111xx程序结束。3C-3FJC MM010000XXMM若进位标志位置 1，跳转到 MM 地址。40-43JZ MM010001XXMM若零标志位置 1 ，跳转到 MM 地址。44-47JMP MM010010MM无条件跳转到 MM 地址。48-4B欢迎下载9精品文库（ 2）新的微指令集助记符状态微地微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制PCPC址_FATCH_T000CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR01FFFFFF浮空浮空A 输出+102FFFFFF浮空浮空A 输出+103FFFFFF浮空浮空A

20、 输出+1MOVT104C7FBFF存储器值寄存器 R？PC输出A 输出+1+1R?,#IIEMT005CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR06FFFFFF浮空A 输出+1+107FFFFFF浮空A 输出+1+1MOVT108FFFB9FALU 直通寄存器 R？浮空A 输出+1R?,AT009CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR0AFFFFFF浮空浮空A 输出+10BFFFFFF浮空浮空A 输出+1MOVT10CFFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出+1A,R?R?T00DCBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR0EFFFFFF浮空浮

21、空A 输出+10FFFFFFF浮空浮空A 输出+1ADDT210FFF7EF寄存器值寄存器 W浮空A 输出+1R?,AR?T111FFFB98ALU 直通寄存器 R？浮空A 输出+1T012CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR13FFFFFF浮空浮空A 输出+1ADDT214FFF7EF寄存器值寄存器 W浮空A 输出+1A,R?R?T115FFFE90ALU 直通寄存器 A,标浮空A 输出+1志位 C,ZT016CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR17FFFFFF浮空浮空A 输出+1SUB A,R?T218FFF7EF寄存器值寄存器 W浮空A 输出+1R

22、？欢迎下载10精品文库T119FFFE91ALU 直通寄存器 A,标浮空减运算志位 C,ZT01ACBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IR1BFFFFFF浮空浮空A 输出ANDT31CC7FFEF存贮器值寄存器 WPC输出A 输出R?,#IIEMT21DFFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T11EFFFB9BALU 直通寄存器 R?浮空与运算T01FCBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IRNOT R?T220FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T121FFFB9EALU 直通寄存器 R?浮空A 取反T022CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IR23

23、FFFFFF浮空浮空A 输出RLR?T224FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T125FFF8DFALU 左移寄存器 R?,浮空A 输出左移标志位 C,ZT026CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IR27FFFFFF浮空浮空A 输出RRR?T228FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T129FFF8BFALU 右移寄存器 R?,浮空A 输出右移标志位 C,ZT02ACBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IR2BFFFFFF浮空浮空A 输出RLCR?T22CFFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T12DFFFADFALU 左移寄存器 R?,浮空A 输

24、出带进位左标志位 C,Z移T02ECBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出器 IR2FFFFFFF浮空浮空A 输出RRCR?T230FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出R?T131FFFABFALU 右移寄存器 R?,浮空A 输出带进位右+1写入+1+1+1+1+1写入+1+1+1写入+1+1+1+1写入+1+1+1+1写入+1+1+1+1写入+1+1+1+1欢迎下载11精品文库标志位 C,Z移T032CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR33FFFFFF浮空浮空A 输出+1CLRR?T334FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出+1R?T235FFF7EF寄存器值

25、寄存器 W浮空A 输出+1R?T136FFFB99ALU 直通寄存器 R？浮空减运算+1T037CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IRTEST R?T338FFF7F7寄存器值寄存器 A浮空A 输出+1R?T239FFF7EF寄存器值寄存器 W浮空A 输出+1R?T13AFFFE92ALU 直通寄存器 R？ ,浮空或运算+1标志位 C,ZT03BCBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IRENDPT03CCBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR3DFFFFFF浮空浮空A 输出+13EFFFFFF浮空浮空A 输出+13FFFFFFF浮空浮空A 输出+

26、1JCMMT140C6FFFF存贮器值寄存器 PCPC输出A 输出+1写入EMT041CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR42FFFFFF浮空浮空A 输出+143FFFFFF浮空浮空A 输出+1JZMMT144C6FFFF存贮器值寄存器 PCPC输出A 输出+1写入EMT045CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR46FFFFFF浮空浮空A 输出+147FFFFFF浮空浮空A 输出+1JMP MMT148C6FFFF存贮器值寄存器 PCPC输出A 输出+1写入EMT049CBFFFF浮空指令寄存PC输出A 输出写入+1器 IR4AFFFFFF浮空浮空A 输

27、出+14BFFFFFF浮空浮空A 输出+1欢迎下载12精品文库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：MOVR0,#07H;初始化被乘数MOVR1,#05H;初始化乘数CLRR2 ;R2;清零P1:TESTR1;测试乘数是否为 0JZW;是 0 跳转，程序结束RRCR1;进位右移JCS;CF=1, 跳到 SP2:RLR0;R0 左移JMPP;跳到 PP3:MOVA,R0ADDR2,AJMPQP4: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：M

28、OVR0,#63H;初始化被除数MOVR1,#08H;初始化除数MOVA,R1MOVR3,ARRR3;初始化计数器CLRR2;清零商TEST R1;检验除数是否为0JZC0;是 0，跳转报错RLR1RLR1RLR1RLR1; 对齐被除数与除数MOVA,R0SUBA,R1;判断商是否不超过5 位JCB1;不超过，跳转JMPC0;超过，报错B0:MOVA,R3SUBA,R1JZC1;控制循环次数欢迎下载13精品文库MOVA,R0SUBA,R1JCB1JMPB2;余数为正，做减法B1:ADDA,R1;余数为负，做加法B2:MOVR0,ARRR1;右移除数RLCR2;余数为负则 C=1 ，左移上 1；

29、余数为正则 C=0 ，左移上 0JMPB0;跳转C0:MOVR0,#0FFH ;报错MOVR1,#0FFHMOVR2,#0FFHMOVR3,#0FFHJMPENDDC1:NOTR2;取反得商ANDR2,#0FH;商不超过4 位ENDD:ENDPP:JMP P6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。1.乘法程序运行的过程汇编指令程 序机器指令说明微程序PCPC运行时寄存器或存储器地址码的值MOV R0,#07H000407C7FBFF0104R0=07,EM=07,IR=04CBFFFF0205MOV R1,#05H020505C7FBFF0

30、304R1=05,EM=05,IR=05CBFFFF0405CLR R20436FFF7F70534IR=36,EM=36,FFF7EF35R2=0,A=0,W=0CBFFFF3637TEST R10539FFF7F70638IR=39,EM=39,FFF7EF39R1=05,A=05FFFE923AW=05CBFFFF3BJZ P4064412C6FFFF0744EM=44,IR=44CBFFFF0845EM=12RRC R10831FFF7F70930EM=31,IR=31FFFABF31R1=02欢迎下载14精品文库CBFFFF32JC P309400EC6FFFF0A40EM=40,I

31、R=40CBFFFF0E41EM=0EMOV A,R00E0CFFF7F70F0CEM=0C,IR=0CCBFFFF0DR0=07,A=07ADD R2,A0F12FFF7EF1010EM=12,IR=12FFFB9811R2=0,W=0CBFFFF12R2=07JMP P210480BC6FFFF1148EM=48,IR=48CBFFFF0B49EM=0BRL R00B24FFF7F70C24EM=24,IR=24FFF8DF25R0=07,A=07CBFFFF26R0=0EJMP P10C4805C6FFFF0D48EM=48,IR=48CBFFFF0549EM=05TEST R10539

32、FFF7F70638EM=39,IR=39FFF7EF39R1=02,A=02FFFE923AW=02CBFFFF3BA=02JZ P4064412C6FFFF0744EM=44,IR=44CBFFFF0845EM=12RRC R10831FFF7F70930EM=31,IR=31FFFABF31R1=02,A=02CBFFFF32R1=01JC P309400EC6FFFF0A40EM=40,IR=40CBFFFF0E41EM=0ERL R00B24FFF7F70C24EM=24,IR=24FFF8DF25R0=0E,A=0ECBFFFF26R0=1CJMP P10C4805C6FFFF0D

33、48EM=48,IR=48CBFFFF0549EM=05TEST R10539FFF7F70638EM=39,IR=39FFF7EF39R1=01,A=01FFFE923AW=01CBFFFF3BA=01JZ P4064412C6FFFF0744EM=44,IR=44CBFFFF0845EM=12RRC R10831FFF7F70930EM=31,IR=31FFFABF31R1=01,A=01CBFFFF32R1=00JC P309400EC6FFFF0A40EM=40,IR=40CBFFFF0E41EM=0E欢迎下载15精品文库MOV A,R00E0CFFF7F70F0CEM=0C,IR=0

34、CCBFFFF0DR0=1C,A=1CADD R2,A0F12FFF7EF1010EM=12,IR=12FFFB9811R2=07,W=07CBFFFF12R2=23JMP P210480BC6FFFF1148EM=48,IR=48CBFFFF0B49EM=0BRL R00B24FFF7F70C24EM=24,IR=24FFF8DF25R0=1C,A=1CCBFFFF26R0=38JMP P10C4805C6FFFF0D48EM=48,IR=48CBFFFF0549EM=05TEST R10539FFF7F70638EM=39,IR=39FFF7EF39R1=00,A=00FFFE923AW=00CBFFFF3BA=00JZ P4064412C6FFFF0744EM=44,IR=44CBFFFF1245EM=12ENDP123CCBFFFF133CEM=3C,IR=3CJMP L134813C6F