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1、东北大学计组课设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 COP2
2、000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 COP2000实验仪 P C 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C O P 2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现总体概述C 0 P 2 0 0 0模型机包括了一个标准C P U所具备所有部件，这些部件包括：运算器A L U、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R 0-R 3、程序计数器P C、地址寄存器M A R、堆栈寄存器S T、中断向量寄存器I A、输入端口
3、 I N、输出端口寄存器O U T、程序存储器E M、指令寄存器I R、微程序计数器u P C、微程序存储器 皿，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C P L D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1 6位机相同。相比而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。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R 0-R 3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
4、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2 4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。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
5、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R0R3的寄存器中ADDA,RO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MOVA,R1将 寄 存 器R1的值作为地址，把存储器E M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ANDA,40H将 存 储 器EM中40H单元的数据与累据的地址为指令的操作数。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。S U BA,#1 0 H从 累 加 器A中减去立即数1 0 H,结果存入累加器A（2
6、）该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：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。微指令格式的说明模 型 机 有2 4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。微程序控制器由微程序给出2 4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2 4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
7、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控制信号控 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P C的值送到地址总线ABUS oEMEN将 程 序 存 储 器E M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DBUSoIREN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gPCoEIN
8、T中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELPP C 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MARoMAROE将地址寄存器M AR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C 0 P 2
9、 0 0 0 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出数据.由X 2,X I,X 0 决定那一个寄存器输出数据。存器。X2X2、XI、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。XIX0WEN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。S2S2、SI、SO三位组合决定 ALU做何种运算。S1SOX2 XIX0输出寄存器0 00IN_OE 夕 卜部输入门0 01IA_OE 中断向量0 1 ST_OE 堆存器A及寄存器W给出，运算结果输出到直通门Do00 11A&W 与1 0 A+W+C 带0进位加1 0
10、A-W-C 带1进位减1 1 A A0取反1 1 A 输1出A2.计算机中实现乘法和除法的原理(1)无符号乘法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。算法流程图:(2)无符号除法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。算法流程图硬件原理框图:3.对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件（1）无符号乘法符号乘法对应于COP2000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硬件名称实现算法功能描述寄 存 器R0计算时用来存放部分积和最后的积寄 存 器R1 初始化时，用来存放被乘数；在程序执行的过程中，用
11、来存放向左移位后的被乘数。寄 存 器R2初始化时，用来存放乘数；在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的乘数。累加器A执行 ADDA,R?（加法）、SHLR?（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A L U 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。程序计数器 PC控制程序按
12、顺序正常执行；当执行转移指令时，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E M 中读取数据时，由P C 提供地址。存 储 器E M存储指令和数据。微程序计数器FiPC向微程序存储器p M 提供相应微指令的地址。微程序存 存储相应指令的微指令。储器g M输出寄存器 OUT可以将运算结果输出到输出寄存器O U T （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 S T 中，使程序能够正常地执行。（2）无符号除法无符号除法对应于COP2000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寄 存 器R0
13、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（初始值5）。累加器A计算时用来存放中间结果；执 行 A D D 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A L U 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
14、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。程序计数器 PC控制程序按顺序正常执行；当执行转移指令时，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E M 中读取数据时，由P C 提供地址。存 储 器存储指令和数据。E M微程序计数 器 F1PC向微程序存储器g M 提供相应微指令的地址。微程序存储 器 小 1存储相应指令的微指令。输出寄存器 O U T可以将运算结果输出到输出寄存 器 O U T （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 S T 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
15、令/微指令系统（1）新 的 指 令 集（乘除法指令集）助记符机 器码 1机器码 2指令说明_ F A TC H_0 0 0 0 0O x x实验机占用，不可修改。复位后，所有寄存器清0 0-0 30,首 先 执 行 _ F A T C H_指令取指。A D DR?,A0 0 0 0 0l x x0 4-0 7将累加器A 中的数加入到寄存器R?中，并影响志位。A D DR?,#I I0 0 0 0 1O x x0 8-0 BII将立即数口加入到寄存器R?中，并影响标志位。SU BR?,A0 0 0 0 1l x xO C-O F从寄存器R?中减去累加器A中的数，并影响志位。SU BR?,#I I
16、0 0 0 1 0O x x1 0-1 3I I 从寄存器R?中减去立即 数 H,并影响标志位。T E STR?,#I I0 0 0 1 0l x x1 4-1 7I I寄存器R?“与 立 即数 H,只改变标志位，并不改变R?中的数值。P U SHA0 0 0 1 1O x x1 8-1 B将累加器A中的数据压入堆栈寄存器ST oP O P0 0 0 1 1将堆栈寄存器ST中的Al x x1 C-1 F数据弹出到累加器A中。M O VA,R?O O 1 O OO x x2 0-2 3将寄存器R?中的数放入累加器A中。M O VR?,#I I0 0 1 0 0l x x2 4-2 7I I将立即数II存放到寄存器R?中。S HLR?0 0 1 0 1O x x2 8-2 B寄存器R?中的数不带进位向左移一位，并不影响标志位。S HRR?0 0 1 0 1l x x2 C-2 F寄存器R?中的数不带进位向右移一位，并不影响标志位。J CM M0 0 1 1 0O x x3 0-3 3M M若进位标志位置1,跳转到M M地址。J ZM M0 0 1 1 0l x x3 4-3 7M M若零标
