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1、计算机组成原理课程设计报告班级：09计算机04班： 学号：完成时间：2012年1月4日星期三一、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 序设计控制器的根本方法并了解指令系统与硬件构造的对应关系；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
2、法的程序进展设计的验证。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 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、工作存放器W、左移门L、直通门D、右移门R、存放器组 R0-R3、程序计数器PC地址存放器 MAR、堆栈存放器ST中断向量存放器IA、输入端口 IN、输出端口存放器 OUT、程序存储器 EM、指令存放器IR、微程序计数器 uPC、微程序存储器 uM，以及中断 控制电路
3、、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。微程序控制局部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位机一样。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 R0-R3存放器，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
4、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位控制位以控制存放器的输入、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的值输出到输出端口存放器OUT存放器寻址参与运算的数据在R0R3的存放器中ADDA,R0将存放器R0的值加上累 加器A的值，再存入累加器A中存放器间接寻址参
5、与运算的数据在存储 器EM中，数据的地址在存放器R0-R3中MOV A,R1将存放器R1的值作为地 址，把存储器EM中该地 址的容送入累加器 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。ANDA,40H将存储器EM中40H单兀 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。SUBA,#10H从累加器A中减去立即 数10H,结果存入累加器A2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展编码的，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
6、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24位控制位以控制存放器的输入、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24位控制信号，而微程序的地址又是由指令码提供的,24位，其中微指也就是说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，而微程序的地址那么由指令码指定。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夕卜部设备读信号，当
7、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与信号。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 DBUSIREN将程序存储器EM读出的数据打入指令存放器IR和微指令计数器 尸GEINT中断返回时去除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELPPC打入允许，与指令存放器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。MAREN将数据总线DBUS上数据打入地址存放器 MAR。MAROE将地址存放器MAR的值
8、送到地址总线 ABUS上。OUTEN:将数据总线DBUS上数据送到输出端口存放器OUT里。STEN将数据总线DBUS上数据存入堆栈存放器 ST中。RRD读存放器组R0R3,存放器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写存放器组R0R3,存放器R?的选择由指令的最低两位决定。决疋运算器是否带进位移位，=1带进位，=0不带进位。FENL将标志位存入ALU部的标志存放器。X2X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的存放器。X1X0WEN将数据总线DBUS的值打入工作存放器 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。S1S0
9、COP2000中有7个存放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存放器输出数据由X2,X1,X0决定那一个存放器输出数据。X2 X1 X0输出存放器0 0 0IN_OE外部输入门0 0 1IA_OE中断向量0 1 0ST_OE堆栈存放器0 1 1PC_OEPC存放器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 由存放器A及存放器W给出,运算结果输出到直通门DoS2 S1 S0功能0 0 0A+W加0 0 1A-W减0 1 0A|W或0 1 1
10、A&W与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C带进位减1 1 0AA取反1 1 1A输出A2。计算机中实现乘法和除法的原理1无符号乘法1无符号乘法 实例演示即，列 4位乘法具体例子演算的算式：被乘数为1001二进制，即为十进制的9;乘数为0110二进制，即为十进制的 6o 那么，可以通过笔算得到：1000 X 0111=00110110即十进制运算结果为：8 X 7=56无符号乘法的实例演示如图1所示：1000;被乘数10 / 9x0 1110 0 0 0;初始值零+1 0 0 0 110 0 0;局部积+ 10 0 01左+左100 011110 0 0+ 0000011
11、0 0 00 0 1110 0 0即：1000x 011仁00111000图1;乘数;乘数最低位为 1,局部积加被乘数，被乘数左;移一位，乘数右移一位。;乘数最低位为1，局部积加被乘数，被乘数；移一位，乘数右移一位。；局部积；乘数最低位为1，局部积加被乘数，被乘数；移一位，乘数右移一位。；局部积；乘数最低位为0，局部积加0，被乘数左移;位，乘数右移一位。;计算完毕，结果为 00111000无符号乘法实例演示 硬件原理框图:DR砂（部分积和结果）乘数右移图2 无符号乘法的硬件原理框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。那么,无符号乘法的硬件原理框图如图2所示。 算法
12、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。2无符号 实例演示即，列 4位除法具体例子演算的算式： 硬件原理框图： 算法流程图：3. 对应于以上算法如何分配使用COP2000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) 新的指令集设计两个不同指令集要分别列表助记符机器码1机器码2指令说明(2)新的微指令集助记符状态微地址微程序数据输出数据打入地址输出运算器移位控制PCPC5.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：2除法选作4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：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容。按每个程序一表进展。程序运行的过程汇编指令程序 地址机器 码指令说明微程序PCPC运行时存放器或存储器的值7 设计结果说明调试运行程序时是否出现问题，是否有重新调整指令/微指令系统设计的情况出现？请在此做具体说明。五、本次课程设计的总结体会不少于200字主要总结学到的具体知识、方法及设计中的切身体会；包括列出在设计的各个阶段出现的 问题及解决方法。以上红色字容为由设计者完成并填写