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1、哈尔滨理工大学课程设计（计算机组成原理）题目： 简单模型机指令系统的设计 班级： 姓名： 指导教师： 系主任： 2017年03月10日计算机组成原理（课程设计）设计过程情况表学生姓名 学号 班级 第一周遇到的问题及解决方法等情况（与同学讨论、教师解答、查阅资料等）问题1 : 乘法指令如何设计循环语句解决方法：与老师讨论模型机的原有的语句后，决定用减法和为零跳转实现控制循环问题2：乘法指令如何取出每一位数字解决方法：查阅网上的资料，用乘数右移，与01B进行与运算，直到乘数为零第二周遇到的问题及解决方法等情况（与同学讨论、教师解答、查阅资料等）问题1 : 除法指令如何判断假除数和除数大小，假除数和
2、被除数大小解决方法：查阅资料后，决定自己设计指令，操作数两组分别为寄存器和寄存器，寄存器和累加器问题2：除法指令如何控制除数的移位解决方法：查阅网上的资料和与同学讨论后，决定除数固定位数，先左移四位，再逐一右移。 验收教师提问、指出的问题及学生回答情况（必须按实验室实际情况填写）。问题1:如何判断是八位数？回答：与FFH进行与运算问题2：除法实现第一步干什么？回答：固定除数的位数，先左移四位指出的问题：八位数的乘法，积的还是用一个寄存器保存会导致结果丢失目 录1.课程设计的目的 12.课程设计的任务13.课程设计所用设备及所需资料14.设计内容14.1设计原理14.1.1总体概述14.1.2模
3、型机的寻址方式24.1.3模型机微指令系统的特点34.2设计过程与步骤54.2.1. 模拟乘法除法的原理54.2.2对应算法分配硬件104.2.3设计全新的指/微指令系统124.3设计结果及分析144.3.1汇编语言程序144.3.2程序执行跟踪165心得体会18 1.课程设计的目的1.在实验机上设计机器指令及对应的微指令(微程序)，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。2.课程设计的任务针对COP2000实验仪，首先
4、通过综合实验了解该模型机微程序控制器原理(主要指熟悉该模型机指令/微指令系统的详细情况)，然后以实现二进制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；并编写并运行实现乘法和除法的程序进行设计的验证。3.课程设计所用设备及所需资料1. COP2000实验系统2. PC机( COP2000仿真软件)3. COP2000计算机组成原理实验仪说明书4.设计内容4.1设计原理4.1.1总体概述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
5、、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。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。结构图如图1所示 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。图1 仿真结构图模型机的指令码为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，用指令码做为微地址来寻址
6、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。4.1.2模型机的寻址方式模型机的寻址方式分五种，具体说明如表1所示。 4.1.3模型机微指令系统的特点1. 模型机微指令系统格式模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，
7、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。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1 模型机的寻址方式模型机的寻址方式寻址方式说明指令举例指令说明累加器寻址操作数为累加器ACPL A将累加器A的值取反隐含寻址累加器AOUT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
8、据在R0R3的寄存器中ADD A,R0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MOV A,R1将寄存器R1的值作为地址，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。AND A,40H将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值作逻辑与运算，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。SUB A,#10H从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器ACOP2000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
9、出数据. 由X2,X1,X0决定那一个寄存器输出数据，如表3所示。表2 微指令控制信号的功能操作控制控 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ABUS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
10、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
11、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。S1S0X2 X1 X0输出寄存器0 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，如表4所示。S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W
12、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A表3.寄存器微指令 表4.运算器微指令4.2.1. 模拟乘法除法的原理1. 无符号乘法：（1）实例演示（列乘法具体例子演算的算式）：乘数与被乘数假设为00010000（16）与00000110（6），结果应该为0101000（80）。运算图示为表5所示。表5 乘法演示0 0 0 1 0 0 0 0被乘数 0 0 0 0 0 1 1 0乘数0 0 0 0 0 0 0 0 初始部分积 0 0 0 0 0 0 0 0 乘数最低位为0，部分积加00 0 0 0
13、0 0 0 0部分积0 0 1 0 0 0 0 0被乘数左移一位 0 0 0 0 0 0 1 1乘数右移一位0 0 0 0 0 0 0 0部分积 0 0 1 0 0 0 0 0乘数最低位为1，部分积加被乘数0 0 1 0 0 0 0 0部分积0 1 0 0 0 0 0 0被乘数左移一位 0 0 0 0 0 0 0 1乘数右移一位0 0 1 0 0 0 0 0 部分积 0 1 0 0 0 0 0 0乘数最低位为1，部分积加被乘数（0） 0 1 1 0 0 0 0 0计算完毕，01100000（80），且无进位（2）硬件原理框图：硬件原理实现及分配如图2所示。图 2乘法实现硬件原理图（3）算法流程图：算法流程实现及顺序如图3所示。图 3乘法实现流程图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）：假设被除数和除数为01010111（87）和1010（10）结果商为1000（8）运算图示为： 表6 除法演示0初始商1 0 1 0 0 1 0 1 0 1
