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文档简介
计算机组成原理课程设计
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计算机组成原理课程设计报告
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.经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COP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COP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。
三、课程设计使用的设备(环境)
1.硬件
•COP实验仪
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•PC机
2.软件
•COP仿真软件
四、课程设计的具体内容(步骤)
L详细了解并掌握COP模型机的微程序控制
器原理,经过综合实验来实现
该模型机指令系统的特点:
①总体概述
COP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。微程序控制部分也能够用组合逻辑控制来
代替。
模型机的指令码为8位,根据指令类型的不
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同,能够有0到2个操作数。指令码的最低两位
用来选择RO-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。
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。
②模型机的寻址方式
表1模型机的寻址方式
模型机的寻址方式说指令举
指令说明
寻址方式明例
操作数为累将累加器A
CPLA
累加器寻加器A的值取反
址隐含寻址累将累加器A
OUT
加器A的值输出到
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输出端口寄
存器OUT
将寄存器RO
参与运算的
的值加上累
寄存器寻数据在ADD
加器A的值,
址R0〜R3的寄A,RO
再存入累加
存器中
器A中
参与运算的将寄存器R1
数据在存储的值作为地
寄存器间器EM中,数MOV址,把存储器
接寻址据的地址在A,@R1EM中该地址
寄存器的内容送入
R0-R3中累加器A中
将存储器EM
参与运算的
中40H单元
数据在存储
的数据与累
存储器直器EM中,数AND
加器A的值
接寻址据的地址为A,40H
作逻辑与运
指令的操作
算,结果存入
数。
累加器A
立即数寻参与运算的SUB从累加器A
址数据为指令A,#10H中减去立即
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的操作数。数10H,结果
存入累加器
A
COP模型机指令的最低两位(IR0和IR1)
用来寻址R0〜R3四个寄存器;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,PC被预置
当IR3=0时
若IR2=0,则当Cy=l时PC被
预置
若IR2=L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:
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田4)二宿比j型田=田狂皿任七匕人
ADDA,R?ANDA,R?MAA,R?JCMM
ADDA,@R?ANDA,@R?MOVA,@R?JZMM
ADDA,MMANDA,MMMOVA,MMJMPMM
ADDA,#HANDA,#HMOVA,#11CALLMMRET
ADDCA,R?ORA.R?MOVR?.A
移位指令:中断皈回指输入/输出
AADDDCPAA,/@aDKOr
RRARETIREADMM
ADDCA,MM
RLAWRITEMM
ADDCA,#11
RRCAIN
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、输出,选择运算器的运算功能,存储器的读
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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。这24
位操作控制信号的功能如表2所示:(按控制信
号从左到右的顺序依次说明)
表2微指令控制信号的功能
操作招
控制信号的说明
制信号
外部设备读信号,当给出了外设的地址
XRD
后,输出此信号,从指定外设读数据。
EMW
程序存储器EM写信号。
R
EMRD程序存储器EM读信号。
将程序计数器PC的值送到地址总
PCOE
线ABUS±o
将程序存储器EM与数据总线
EMEN
DBUS接通,由EMWR和EMRD
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决定是将DBUS数据写到EM中,
还是从EM读出数据送到DBUSo
将程序存储器EM读出的数据打入指
IREN
令寄存器IR和微指令计数器FiPCo
中断返回时清除中断响应和中断
EINT
请求标志,便于下次中断。
PC打入允许,与指令寄存器的
ELP
IR3、IR2位结合,控制程序跳转。
MARE将数据总线DBUS上数据打入地址
N寄存器MARo
MARO将地址寄存器MAR的值送到地址
E总线ABUS±0
OUTE将数据总线DBUS上数据送到输出
N端口寄存器OUT里。
将数据总线DBUS上数据存入堆栈
STEN
寄存器ST中。
读寄存器组R0~R3,寄存器R?的
RRD
选择由指令的最低两位决定。
写寄存器组R0~R3,寄存器R?的
RWR
选择由指令的最低两位决定。
决定运算器是否带进位移位,
CN
CN=1带进位,CN=0不带进位。
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将标志位存入ALU内部的标志寄
FEN
存器。
X2
X2、XI、X0三位组合来译码选择
XI
将数据送到DBUS上的寄存器。
X0
将数据总线DBUS的值打入工作寄
WEN
存器W中。
将数据总线DBUS的值打入累加器
AEN
A中。
S2
S2、SI、SO三位组合决定ALU做
S1
何种运算。
SO
COP中有7个寄存器能够向数据总线输出数
据,但在某一特定时刻只能有一个寄存器输出
数据.由X2,XI,X0决定那一个寄存器输出数
据。
X2XI输出寄存器
X0
00IN_OE夕卜
0部输入门
00IA_OE中
1断向量
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01ST_OE堆
0栈寄存器
01PC_OE
1PC寄存器
10D_OE直
0通门
10R_OE右
1移门
11L_OE左
0移门
11没有输出
1
COP中的运算器由一片EPLD实现.有8种运
算,经过S2,SI,SO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。
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01A|W或
0
01A&W与
1
10A+W+C带
0进位加
10A-W-C带
1进位减
11〜AA
0取反
11A输
1出A
2o计算机中实现乘法和除法的原理
(1)无符号乘法
①实例演示(即,列4位乘法具体例子演
算的算式):
1001;被
乘数
X0101;乘
数
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0000;初始值
(零)
+0101(0);乘
数最低位为1,部分积加乘数,被乘数左移
9
位,乘
数右移
一位。
0101;部
分积
+0000(1);乘
数最低位为0,部分积加0,被乘数左
;移
一位,
乘数右
移一
位。
00101;部
分积
+0101(1);乘
数最低位为1,部分积加被乘数,被乘数左
;移
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-------------------一位,乘数
右移一位。
011001;部分积
+0000(0);乘
数最低位为0,部分积加0,被乘数左移一
位,乘
数右移
一位。
(0)0011001;计
算完毕,结果为0011001
即:1001X0110=0011001
②硬件原理框图:
用
米
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在模型机上实现无符号数乘法运算时,采
用“加法一移位”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。
③算法流程图:
在模型机上实现无符号数乘法运算时,采用
“加法一移位”的重复运算方法。因此,无符号
乘法的算法流程图如图3所示。
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③算法流程图
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(2)无符号除法
①实例演示(即,列4位除法具体例子演
算的算式):
被除数为01100100(二进制),即为十进制的
100;除数为1001(二进制),即为十进制的9。
那么,能够经过笔算得到:
011001004-1001=1011-0001
即十进制运算结果为:
1004-9=11-1
无符号除法的实例演示如图4所示
01011
1i6"liooio
o;被除数
100
1;除数
;减去除数
1101
0
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余数为负,c=l,商上0
100
1;
商左移一位,除数右移
一位
;加上
除数
00011
1;余数为正,C=0,商上1
100
1;商
左移一位,除数右移
一位
;减去除数
111110
0;余数为
负,C=l,商上0
100
1;商左移一位,除数右移一位
;加上
除数
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0000101
0;余数为正,C=0,商上1
100
1;商左移一
位,除数右移一位
;减去除数
0000000
1;余数为正,C=0,商上1,余数为1
;余数为正不用处理
②硬件原理框图:
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图5无符号除法的硬件原理框图
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。那么,无
符号除法的硬件原理框图如图5所示。
③算法流程图:
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3.对应于以上算法如何分配使用COP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)无符号乘法
符号乘法对应于COP实验仪的硬件具体分
配使用情况如下表所示:
表3无符号乘法的硬件分配情况
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硬件名称实现算法功能描述
计算时用来存放部分积和最后
寄存器R0
的积
①初始化时,用来存放被乘
数;
寄存器R1
②在程序执行的过程中,用来
存放向左移位后的被乘数。
①初始化时,用来存放乘数;
寄存器R2②在程序执行的过程中,用来
存放向右移位后的乘数。
执行ADDA,R?(加法)、SHLR?
(左移一位)、SHRR?(右移
累加器A
一位)等命令时所必须使用的
寄存器。
执行ADDA,R?(加法)、TEST
R?,#H(测试R2的末位)等双
寄存器W
操作数命令时所必须使用的寄
存器。
用来实现相应数据左移一位的
左移门L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
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输出到数据总线。
用来实现相应数据右移一位的
右移门R运算,并能够控制该运算后的
结果是否输出到数据总线。
①控制程序按顺序正常执行;
②当执行转移指令时,从数据
程序计数线接收要跳转的地址,使程序
器PC能够按需要自动执行。
③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。
微程序计向微程序存储器UM提供相应
数器UPC微指令的地址。
微程序存
存储相应指令的微指令。
储器UM
输出寄存能够将运算结果输出到输出寄
器OUT存器OUT(本实验未用)。
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
堆栈ST
栈ST中,使程序能够正常地执
行。
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(2)无符号除法
无符号除法对应于COP实验仪的硬件具体
分配使用情况如下表所示:
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
初始化时,用来存放被除数和
寄存器R0
计算后的余数。
①初始化时,用来存放除数;
寄存器R1②在程序执行的过程中,用来
存放向右移位后的除数。
在程序执行过程中,用来保存
寄存器R2
当前算得的商。
当作计数器使用,用来控制程
寄存器R3
序是否结束(初始值5)。
①计算时用来存放中间结果;
②执行ADDA,R?(加法)、SUB
累加器A
A,R?(减法)等命令时所必须
使用的寄存器。
执行SUBA,R?(减法)等双操
寄存器W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
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运算,并能够控制该运算后的
结果是否输出到数据总线。
用来控制ALU的执行结果是否
直通门D
输出到数据总线。
用来实现相应数据右移一位的
右移门R运算,并能够控制该运算后的
结果是否输出到数据总线。
①控制程序按顺序正常执行;
②当执行转移指令时,从数据
程序计数线接收要跳转的地址,使程序
器PC能够按需要自动执行。
③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。
微程序计向微程序存储器UM提供相应
数器UPC微指令的地址。
微程序存
存储相应指令的微指令。
储器UM
输出寄存能够将运算结果输出到输出寄
器OUT存器OUT(本实验未用)。
当存储于累加器A的值将要受
堆栈ST
到破坏时,将其数据保存在堆
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栈ST中,使程序能够正常地执
行。
4.在COP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
(设计两个不同指令集要分别列表)
表5无符号乘法新指令集
助记机器码机指令说明
符1器
码2
_FAT000000实验机占用,不可修改。复
CH_XX位后,所有寄存器清0,首
00-03先执行_FATCH_指令取
指。
ADD000001将累加器A中的数加入到寄
R?,AXX存器R?中,并影响标志位。
04-07
TEST000101II寄存器R?“与"立即数
R?,#XXH,只改变标志位,并不改
II14-17变R?中的数值。
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MOV001001II将立即数II存放到寄存器
R?,#XXR?中。
II24-27
SHL001010寄存器R?中的数不带进位
R?XX向左移一位,并不影响标志
28-2B位。
SHR001011寄存器R?中的数不带进位
R?XX向右移一位,并不影响标志
2C-2F位。
JZ001101MM若零标志位置1,跳转到MM
MMXX地址。
34-37
JMP001110跳转到MM地址。
MMXX
38-3B
OVER001111程序结束。
XX
3C-3F
表5无符号除法的新指令集
助记机器码机指令说明
符1器
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码2
_FAT000000实验机占用,不可修改。复
CH_XX位后,所有寄存器清0,首
00-03先执行_FATCH_指令取
指。
ADD000001将累加器A中的数加入到寄
R?,AXX存器R?中,并影响标志位。
04-07
II
ADD000010将立即数H加入到寄存器
R?,#XXR?中,并影响标志位。
II08-0B
SUB000011从寄存器R?中减去累加器A
R?,AXX中的数,并影响标志位。
0C-0F
SUB000100II从寄存器R?中减去立即数
R?,#XXII,并影响标志位。
II10-13
TEST000101II寄存器R?“与"立即数
R?,#XXH,只改变标志位,并不改
II14-17变R?中的数值。
PUSH000110将累加器A中的数据压入堆
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AXX栈寄存器STo
18-1B
000111
POP将堆栈寄存器ST中的数据
XX
A弹出到累加器A中。
1C-1F
MOV001000将寄存器R?中的数放入累
A,R?XX加器A中。
20-23
MOV001001II将立即数II存放到寄存器
R?,#XXR?中。
II24-27
SHL001010寄存器R?中的数不带进位
R?XX向左移一位,并不影响标志
28-2B位。
SHR001011寄存器R?中的数不带进位
R?XX向右移一位,并不影响标志
2C-2F位。
JC001100MM若进位标志位置1,跳转到
MMXXMM地址。
30-33
JZ001101MM若零标志位置L跳转到MM
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MMXX地址。
34-37
JMP001110跳转到MM地址。
MMXX
38-3B
OVER001111程序结束。
XX
3C-3F
(2)新的微指令集
无符号乘法的新微指令集
助记状微微程数据数据地址运移位P
符态地序输出打入输出算控制CC
址器
_FATT000CBFF指令PC输A输写+1
CH_FF寄存出出入
器IR
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01FFFFA输+1
FF出
02FFFFA输+1
FF出
03FFFFA输+1
FF出
ADDT204FFF7寄存寄存A输+1
R?,AEF器值器W出
R?
T105FFFAALU寄存加+1
98直通器R?运
志算
位
C,Z
TO06CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
07FFFFA输+1
FF出
TESTT314C7FF存贮寄存PC输A输+1+1
R?,#EF器值器W出出
IIEM
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T215FFF7寄存寄存A输+1
F7器值器A出
R?
T116FFFEALU寄存与+1
93直通器R?运
志算
位
C,Z
TO17CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
MOVT124C7FB存贮寄存PC输A输+1+1
R?,#FF器值器出出
IIEMR?
TO25CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
26FFFFA输+1
FF出
27FFFFA输+1
FF出
SHLT228FFF7寄存寄存A输+1
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R?F7器值器A出
R?
T129FFF9ALU寄存A输左移+1
DF左移器出
R?
TO2ACBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
2BFFFFA输+1
FF出
SHRT22CFFF7寄存寄存A输+1
R?F7器值器A出
R?
T12DFFF9ALU寄存A输右移+1
BF右移器出
R?
TO2ECBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
2FFFFFA输+1
FF出
JZT134C6FF存贮寄存PC输A输+1写
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MMFF器值器PC出出入
EM
TO35CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
36FFFFA输+1
FF出
37FFFFA输+1
FF出
JMPT138C6FF存贮寄存PC输A输+1写
MMFF器值器PC出出入
EM
TO39CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
3AFFFFA输+1
FF出
3BFFFFA输+1
FF出
OVERTO3CCBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
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3DFFFFA输+1
FF出
3EFFFFA输+1
FF出
3FFFFFA输+1
FF出
无符号除法的新微指令集
助记状微微程数据数据地址运移位吁P
符态地序输出打入输出算控制CC
址器
_FATTO00CBFF指令PC输A输写+1
CH_FF寄存出出入
器IR
01FFFFA输+1
FF出
02FFFFA输+1
FF出
03FFFFA输+1
FF出
ADDT204FFF7寄存寄存A输+1
R?,AEF器值器W出
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R?
T105FFFAALU寄存加+1
98直通器R?运
志算
位
C,Z
TO06CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
07FFFFA输+1
FF出
ADDT308FFF7寄存寄存A输+1
R?,#F7器值器A出
IIR?
T209C7FF存贮寄存PC输A输+1+1
EF器值器W出出
EM
T10AFFFAALU寄存加+1
98直通器R?运
志算
位
c,z
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TOOBCBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
SUBT3OCFFFFALU寄存A输+1
R?,A8F直通器W出
T2ODFFF7寄存寄存A输+1
F7器值器A出
R?
T1OEFFFAALU寄存减+1
99直通器运
R?标算
志位
C,Z
TOOFCBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
SUBT310FFF7寄存寄存A输+1
R?,#F7器值器A出
IIR?
T211C7FF存贮寄存PC输A输+1+1
EF器值器W出出
EM
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T112FFFAALU寄存减+1
99直通器R?运
志算
位
C,Z
TO13CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
TESTT314C7FF存贮寄存PC输A输+1+1
R?,#FF器值器W出出
IIEM
T215FFF7寄存寄存A输+1
F7器值器A出
R?
T116FFFEALU寄存与+1
93直通器R?运
志算
位
C,Z
TO17CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
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PUSHT118FFEFALU堆栈A输+1
A9F直通寄存出
器ST
TO19CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
1AFFFFA输+1
FF出
IBFFFFA输+1
FF出
POPT1ICFFFF堆栈寄存A输+1
A57寄存器A出
器ST
TOIDCBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
IEFFFFA输+1
FF出
IFFFFFA输+1
FF出
MOVT120FFF7寄存寄存A输+1
A,R?F7器值器A出
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R?
TO21CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
22FFFFA输
FF出
23FFFFA输
FF出
MOVT124C7FB存贮寄存PC输A输+1+1
R?,#FF器值器出出
IIEMR?
TO25CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
26FFFFA输+1
FF出
27FFFFA输+1
FF出
SHLT228FFF7寄存寄存A输+1
R?F7器值器A出
R?
T129FFF9ALU寄存A输左移+1
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DF左移器出
R?
TO2ACBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
2BFFFFA输+1
FF出
SHRT22CFFF7寄存寄存A输+1
R?F7器值器A出
R?
T12DFFF9ALU寄存A输右移+1
BF右移器出
R?
TO2ECBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
2FFFFFA输+1
FF出
JCT130C6FF存贮寄存PC输A输+1写
MMFF器值器PC出出入
EM
TO31CBFF指令PC输A输写+1
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FF寄存出出入
器IR
32FFFFA输+1
FF出
33FFFFA输+1
FF出
JZT134C6FF存贮寄存PC输A输+1写
MMFF器值器PC出出入
EM
TO35CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
36FFFFA输+1
FF出
37FFFFA输+1
FF出
JMPT138C6FF存贮寄存PC输A输+1写
MMFF器值器PC出出入
EM
TO39CBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
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3AFFFFA输+1
FF出
3BFFFFA输+1
FF出
OVERTO3CCBFF指令PC输A输写+1
FF寄存出出入
器IR
3DFFFFA输+1
FF出
3EFFFFA输+1
FF出
3FFFFFA输+1
FF出
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:
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MOVRO,#00H
MOVRI,#09H
MOVR2,#06H
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LOOP:TESTR2,#0FH
JZLAST
TESTR2,#01H
JZNEXT
MOVA,RI
ADDRO,A
NEXT:SHLRI
SHRR2
JMPLOOP
LAST:OVER
(2)除法(选作)
4位除法的算法流程图与汇编语言程序清
单:
TT必
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MOVRO,#64H
MOVRI,#09H
MOVR2,#0H
MOVR3,#05H
TESTR1,#OFH
JZOVERFLOW
MOVA,RI
PUSHA
SHLRI
SHLRI
SHLRI
SHLRI
MOVA,RI
SUBRO,A
JCZERO
JMPOVERFLOW
ZERO:SHLR2
SHRRI
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SUBR3,#01H
JZDEAL
MOVA,RI
ADDRO,A
JCONE
JMPZERO
ONE:SHLR2
ADDR2,#01H
SHRRI
SUBR3,#01H
JZDEAL
MOVA,RI
SUBRO,A
JCZERO
JMPONE
DEAL:TESTR0,#80H
JZLAST
POPA
ADDRO,A
JMPLAST
OVERFLOW:MOVR2,#0FFH
LAST:OVER
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6.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
汇编程机指令说明微程PC运行时
指令序器序C寄存器
地码或存储
址器的值
0000实验机占用,CBFFF
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