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东北大学计算机组成原理课程设计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.79M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    计算机组成原理课程设计报告
    计算机组成原理课程设计报告 班级：10 计算机 2 班 姓名： 岳明轩 学号： 20102682 完成时间： 2013/1/1 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 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  PC 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 COP 2000 模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现 （1）模型机指令系统特点 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、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。 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。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 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。 COP2000 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： 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=1 时 PC 被预置，若 IR2=1，则当 Z=1 时 PC 被 预置 （2）模型机微指令系统特点（包括其微指令格式的说明等） 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。24 位控制位分别介绍如下： 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 uPC。 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。 ELP： PC 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 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 R0-R3，寄存器 R?的选择由指令的最低两位决定。 RWR： 写寄存器组 R0-R3，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。 X2、X1、X0:三位组合来译码选择将数据送到 DBUS 上的寄存器。 X2 X1 X0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 输出寄存器 IN_OE IA_OE ST_OE PC_OE D_OE R_OE L_OE 没有输出 外部输入门 中断向量 堆栈寄存器 PC 寄存器 直通门 右移门 左移门 WEN： 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。
    S2、S1、S0:三位组合决定 ALU 做何种运算。 S2 S1 S0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 或 减 加 功能 A+W A-W A|W A&W A+W+C 带进位加 A-W-C 带进位减 A 取反 ~A A 输出 A 与 2。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）： 0 0 1 1 × 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 ＋ ＋ ＋ 0 0 1 ＋ 0 1 0 0 0 0 1 0
    ②硬件原理框图： ③算法流程图：
    （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）： 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 ②硬件原理框图： 1 0 0 0 ……………………………………1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 ……………………………………0 1 0 0 0 0 1 1 0 ……………………………………1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 ……………………………………1 0 0 0 0 1
    ③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 （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： 硬件名称 寄存器 R0 寄存器 R1 寄存器 R2 累加器 A 寄存器 W 左移门 L 表 3 无符号乘法的硬件分配情况 实现算法功能描述 存放被乘数 存放乘数 存放中间结果，最后变为积 执行 ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（减法）SHL 一位）、SHR 器。 R?（左移 R?（右移一位）等命令时所必须使用的寄存 A，#II（与运算）、SUB 执行 ADD （减法）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。 A,R?（加法）、AND R?,A 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 ALU 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 ① 控制程序按顺序正常执行； ② 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。 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。 微程序计数器μPC 向微程序存储器μM 提供相应微指令的地址。 微程序存储器μM 存储相应指令的微指令。 （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： 硬件名称 寄存器 R0 寄存器 R1 寄存器 R2 寄存器 R3 累加器 A 寄存器 W 表 4 无符号除法的硬件分配情况 实现算法功能描述 存放被除数，计算后变为余数。 存放除数； 存放中间结果，最后为商。 当作计数器使用，初始为 4。 ① 计算时用来存放中间结果； ② 执行 ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（减法）等命令时所 必须使用的寄存器。 执行 ADD A,R?（加法）、SUB 令时所必须使用的寄存器。 A,R?（减法）等双操作数命 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 ALU 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 ① 控制程序按顺序正常执行； ② 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。 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。 微程序计数器μPC 向微程序存储器μM 提供相应微指令的地址。 微程序存储器μM 存储相应指令的微指令。 4．在 COP2000 集成开发环境下设计全新的指令/微指令系统 （1） 新的指令集 （设计两个不同指令集要分别列表） 助记符 _FATCH_ MOV MOV MOV MOV ADD ADD SUB SUB SHL SHR JC JZ JMP NOP AND R?, #II A, R? R?, A A, #II R?, A R?, #II A, R R?, #II R? R? MM MM MM A, #II 机器码 1 000000xx 000001xx 000010xx 000011xx 000100xx 000101xx 000110xx 000111xx 001000xx 001001xx 001011xx 001100xx 001101xx 001110xx 001111xx 010000xx 00-03 04-07 08-0B 0C-0F 10-13 14-17 18-1B 1C-1F 20-23 24-27 28-2B 30-33 34-37 38-3B 3C-3F 40-43 机器码 2 指令说明 实验机占用，不可修改。复位后，所有寄存 器清 0，首先执行 _FATCH_ 指令取指。 立即数存入 R？ R?A AR? 立即数存入 A R?R?+A R?R?+立即数 AA-R? R?R?-立即数 R?不带进位左移，标志位不改变 R?不带进位右移，标志位不改变 标志位 Cy=1 时跳转 标志位 Z=1 时跳转 无条件跳转 空指令 A 和立即数与运算存入 A II II II II MM MM MM II （2） 新的微指令集
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