计算机结构与组成课程实习报告

中国地质大学(武汉) 课题:CPU仿真设计姓名:学院:信息工程课程:计算机结构与组成课程设计班序号:Project1一．问题描述：这个工程需要编写MIPS汇编语言一个子集的指令解释器.它将实现取指、反汇编,解码,并执行MIPS机器指令。也就是构建一个缩微的MARS。二．问题分析：老师已经给出了一个工程，要求我们在所给文件中添加相应的代码，使sample.dump中的机器码（也就是一串数字）可以实现反汇编，在控制台黑屏中输出汇编指令和寄存器及内存的更新情况。而且.cpp文件中提供了两个函数disassembled和simulateInstr来分别实现上述功能。反汇编说明：在disassembled函数中，我要将数字指令转化为汇编语言，这首先需要对一段数字进行分割，如先取32位数字的前6位为其opcode段等，数字分割是通过左移和右移实现的，具体代码如下：intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate; opcode=instr>>26; rs=(instr<<6)>>27; rt=(instr<<11)>>27; rd=(instr<<16)>>27; shamt=(instr<<21)>>27; func=(instr<<26)>>26; immediate=(instr<<16)>>16; targaddress=(instr<<6)>>6; 完成数字分割后，就进入具体的指令分析阶段，此步通过if-else语句实现。如先解析R格式语句，先选出opcode为0的32为指令数字段，再针对具体的func的值为其对上不同的汇编指令，例如opcode=0，func=33表示addu指令：if(opcode==0) {if(func==33)//addu { strcat_s(result1,"addu $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); }运用strcat函数实现字符串的拼接，itoa_s函数将二进制数变为其他进制数输出，结果便可在黑频上输出如下类似指令：addu $0,$2,$2将所有情况的不同opcode和func的值用if-else语句像上面这样表示出来，于是就可以将所有的32位指令数字段解码成汇编代码，但此时的代码只是个空壳而已，需要用下面的simulateInstr函数将不同的指令的pc改变，计算，寄存器和内存的更新表示出来。在simulateInstr函数中同样也需要对每个32位指令数字段进行划分然后依据不同的opcode和func设置pc，进行计算以及表示寄存器和内存是否被更新。在这里，寄存器及内存的是否更新使用数字表示，-1代表没有更新，例如addu：if(opcode==0) { if(func==33)//addu { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rt]+mips->registers[rs]; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; }其中pc会顺序加4，内存没有改变，但addu所加的结果被存在rd寄存器中，所以rd寄存器会更新。将所有指令的实质改变按此方法用if-else语句表示出来后，该工程也就完成了。三．所遇问题及改进方案：（1）在编程过程中，我开始不知道该怎么样实现数据的符号扩展，因为我对32位数据采用的是左移右移方法来实现指令分割的，这就相对于对所有字段都进行的是零扩展，这对于addi，lw，sw指令中需要进行符号扩展的立即数来说显然矛盾。后来，在请教同学的基础上，我改进了方法，对于那些只需做零扩展的立即数，不需要做什么改变。对与addi这类需做符号扩展的立即数，我在相应的if语句中对立即数进行判断，如果立即数小于32768（也就是2的15次方），也就是该立即数的第一位数是0，那么零扩展与符号扩展对该立即数的真实值无影响，也就不需改变什么；反之，则该立即数的第一位数是1，那么必须进行符号扩展，即将该立即数减去65536（2的16次方）即可。例如sw：if(opcode==43)//sw { strcat_s(result1,"sw $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); if(immediate<32768) _itoa_s(immediate,temp,10); else _itoa_s(immediate-65536,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,"($"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,")"); }（2）在simulateInstr函数中对于sw与lw指令，需要对内存中的值进行读取，开始时我只用rs中的地址和立即数相加得到要读或取的内存地址，但这样得不到正确的结果，在同学的提醒下我注意到该程序设计的内存首地址为0x00400000，于是将上面的数减去0x00400000即可得正确结果。四．以下为源程序代码：charresult[100]={0};charresult1[100]={0};chartemp[100]={0};char*disassembled(unsignedintinstr,unsignedintpc){ memset(result,0,100); memset(result1,0,100); memset(temp,0,100); intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate; opcode=instr>>26; rs=(instr<<6)>>27; rt=(instr<<11)>>27; rd=(instr<<16)>>27; shamt=(instr<<21)>>27; func=(instr<<26)>>26; immediate=(instr<<16)>>16; targaddress=(instr<<6)>>6; if(opcode==0) { if(func==35)//subu { strcat_s(result1,"subu$"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==33)//addu { strcat_s(result1,"addu $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==36)//and { strcat_s(result1,"and $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==37)//or { strcat_s(result1,"or $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==42)//slt { strcat_s(result1,"slt $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==0)//sll { strcat_s(result1,"sll $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); _itoa_s(shamt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==2)//srl { strcat_s(result1,"srl $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rd,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); _itoa_s(shamt,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(func==8)//jr { strcat_s(result1,"jr $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); } } if(opcode==9)//addiu { strcat_s(result1,"addiu $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); if(immediate<32768) _itoa_s(immediate,temp,10); else _itoa_s(immediate-65536,temp,10); strcat_s(result,temp); } if(opcode==12)//andi { strcat_s(result1,"andi $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",0x"); _itoa_s(immediate,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==13)//ori { strcat_s(result1,"ori $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",0x"); _itoa_s(immediate,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==15)//lui { strcat_s(result1,"lui $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",0x"); _itoa_s(immediate,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==4)//beq { strcat_s(result1,"beq $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",0x"); if(immediate>=32768) immediate-=65536; pc=pc+4+immediate*4; _itoa_s(pc,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==5)//bne { strcat_s(result1,"bne $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",$"); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,",0x"); if(immediate>=32768) immediate-=65536; pc=pc+4+immediate*4; _itoa_s(pc,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==35)//lw { strcat_s(result1,"lw $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); if(immediate<32768) _itoa_s(immediate,temp,10); else _itoa_s(immediate-65536,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,"($"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,")"); } if(opcode==43)//sw { strcat_s(result1,"sw $"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(rt,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,","); if(immediate<32768) _itoa_s(immediate,temp,10); else _itoa_s(immediate-65536,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,"($"); _itoa_s(rs,temp,10); strcat_s(result,temp); strcat_s(result,")"); } if(opcode==2)//j { pc=(((pc+4)>>28)<<28)+((targaddress<<6)>>4); strcat_s(result1,"j 0x"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(pc,temp,16); strcat_s(result,temp); } if(opcode==3)//jal { pc=(((pc+4)>>28)<<28)+((targaddress<<6)>>4); strcat_s(result1,"jal 0x"); strcat_s(result,result1); _itoa_s(pc,temp,16); strcat_s(result,temp); } returnresult;voidsimulateInstr(Computermips,unsignedintinstr,int*changedReg,int*changedMem){ /*Youreplacethiscodebytherightstuff.*/ intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate; opcode=instr>>26; rs=(instr<<6)>>27; rt=(instr<<11)>>27; rd=(instr<<16)>>27; shamt=(instr<<21)>>27; func=(instr<<26)>>26; immediate=(instr<<16)>>16; targaddress=(instr<<6)>>6; if(opcode==0) { if(func==33)//addu { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rt]+mips->registers[rs]; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==35)//subu { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rs]+mips->registers[rt]; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==36)//and { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rs]&mips->registers[rt]; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==37)//or { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rs]|mips->registers[rt]; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==42)//slt { mips->pc=mips->pc+4; if(mips->registers[rs]<mips->registers[rt]) mips->registers[rd]=1; else mips->registers[rd]=0; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==0)//sll { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rt]<<shamt; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==2)//srl { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rd]=mips->registers[rt]>>shamt; if(rd==0) rd=-1; *changedReg=rd; *changedMem=-1; } if(func==8)//jr { mips->pc=mips->registers[rs]; *changedReg=-1; *changedMem=-1; } }if(opcode==9)//addiu { if(immediate>=32768) immediate-=65536; mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rt]=mips->registers[rs]+immediate; if(rt==0) rt=-1; *changedReg=rt; *changedMem=-1; }if(opcode==12)//andi { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rt]=mips->registers[rs]&immediate; if(rt==0) rt=-1; *changedReg=rt; *changedMem=-1; }if(opcode==13)//ori { mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rt]=mips->registers[rs]|immediate; if(rt==0) rt=-1; *changedReg=rt; *changedMem=-1; } if(opcode==15)//lui {mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rt]=immediate*65536; if(rt==0) rt=-1; *changedReg=rt; *changedMem=-1; }if(opcode==4)//beq {if(immediate>=32768) immediate-=65536; if(mips->registers[rs]==mips->registers[rt]) mips->pc=mips->pc+4+(immediate<<2); else mips->pc=mips->pc+4; *changedReg=-1; *changedMem=-1; } if(opcode==5)//bne { if(immediate>=32768) immediate-=65536; if(mips->registers[rs]!=mips->registers[rt]) mips->pc=mips->pc+4+(immediate<<2); else mips->pc=mips->pc+4; *changedReg=-1; *changedMem=-1; } if(opcode==35)//lw { if(immediate>=32768) immediate-=65536; mips->pc=mips->pc+4; mips->registers[rt]=mips->memory[(mips->registers[rs]-0x00400000+immediate)/4]; if(rt==0) rt=-1; *changedReg=rt; *changedMem=-1; } if(opcode==43)//sw { if(immediate>=32768) immediate-=65536; mips->pc=mips->pc+4; mips->memory[(mips->registers[rs]-0x00400000+immediate)/4]=mips->registers[rt]; *changedReg=-1; *changedMem=mips->registers[rs]+immediate; } if(opcode==2)//j { mips->pc=(((mips->pc+4)>>28)<<28)+((targaddress<<6)>>4); *changedReg=-1; *changedMem=-1; } if(opcode==3)//jal { mips->registers[31]=mips->pc+4; mips->pc=(((mips->pc+4)>>28)<<28)+((targaddress<<6)>>4); *changedReg=31; *changedMem=-1;} }Project3一．各个部件及原理：选择赋值：给定初值，经过2位选择器选定一个输出端口将初值赋值给它，如图，2位选择器为00代表第一条线路可通。4路选择器左边有四个输入口，从4条线路中选择一条作为通路，然后可以通过一个或运算将选择的数输出，如图中2位选择器为00代表第一条线路可通，将左边输入的第一个数选择出来作为输出。Registerfile:寄存器文件中，最左边的输入段是用来给寄存器赋值的（即写回操作），选择赋值则选择出要逻辑右移（附图1）输入一个16位的数，有右移0到15位共16种移法，对每一种移法，先用一个16位的分位器将每一个数字分开，再用一个相应的16位分位器接收，比如右移一位，就将左边分位器上的高15位放在右边分位器的低15位上，并将剩下的一位赋值为0，每一种移法都采用这种方法，将这16种移法用一个选择器进行选择，为选择器提供选择信号的输入为rt寄存器中的值（正数），但寄存器的值很可能大于4位数（即15），所以对其进行选择，将其高12位数拿出来进行检验，如果不为0，证明右移数大于15，则移完后必为0，所以此时输出0，如果为0，则将其低4位拿出来对刚才的16种移法进行选择，输出选择出的值。逻辑左移（附图2）与逻辑右移原理相同，输入一个16位的数，有左移0到15位共16种移法，对每一种移法，先用一个16位的分位器将每一个数字分开，再用一个相应的16位分位器接收，比如左移一位，就将左边分位器上的低15位放在右边分位器的高15位上，并将剩下的一位赋值为0，每一种移法都采用这种方法，将这16种移法用一个选择器进行选择，为选择器提供选择信号的输入为rt寄存器中的值（正数），但寄存器的值很可能大于4位数（即15），所以对其进行选择，将其高12位数拿出来进行检验，如果不为0，证明左移数大于15，则移完后必为0，所以此时输出0，如果为0，则将其低4位拿出来对刚才的16种移法进行选择，输出选择出的值。算术右移（附图3）与逻辑右移原理大致相同，只是右边分位器空下之处每一分支赋值为左边分支的最高位即可。Lui：将输入值用16位分位器分开，取其低8位，将这8位为右边的另一16位分位器的高8位赋值，将其低8位赋值为0再输出即可。Slt：将输入的rs寄存器中的值与rt相减，再将结果经过16位的分位器，取其最高位，若最高位为1，证明rs小于rt，于是将1作为输出给rd，反之则输出0.Beq：将输入的rs寄存器中的值与rt相减，再将结果经过16位的分位器，用或门检验结果是否为0，为0则将Zero设为1输出，反之则设为0.Bne：将输入的rs寄存器中的值与rt相减，再将结果经过16位的分位器，用或门检验结果是否为0，为0则将Zero设为0输出，反之则设为1ALU：输入端为rs与rt，将rs与rt分别进行图中的11种运算，将前9种运算通过一个选择器，选择其中的一个结果作为输出，选择输入接口为ALUctr，对于beq和bne则将两个输出的Zero值做一个或门，将两个Zero合并成一个Zero接口输出.扩展器：将一个8位输入的数分两路用两个8位分位器分开，分别将这8位赋值给两个16位分位器的低8位，上边的16位分位器剩下的8位高位均被赋值为0，即实现0扩展，下边的16位分位器剩下的8位用其左边8位分位器的最高位进行赋值，即实现符号扩展。再将两者的值用一个或门连接起来，用一个2路选择器进行0扩展或符号扩展的选择输出即可。指令分割：将一个16位输入的数分别用三个16位分位器分开，代表三种格式，在每种格式上分别划分出各自区段输出，如图所示。数据内存：此图完全参照老师所给的