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计算机组成原理课程设计报告 完整版.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.77M 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：计算机 0701 班 姓名： 学号： 完成时间： 2009 年 12 月 20 日 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 该模型机指令系统的特点： 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： PC 置数逻辑 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 （1）模型机的寻址方式分五种：累加器寻址 、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器 直接寻址、立即数寻址； （2）模型机有一些缺省的指令集，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。 （3）模型机的指令集有： 算术运算指令：ADD A, R? ADD A@R? ADD A, MM ADD A, #II 逻辑运算指令： AND A, R? AND A, @R? AND A, MM AND SUB A, R? SUB A, @R? ADDC A, R? ADDC A, @R? ADDC A, MM ADDC A, #II A, #II SUB A, MM SUB A, #II SUBC A, R? SUBC A, @R? SUBC A, MM SUBC A, #II OR A A, R? MOV A, @R? MOV A, #II R?, A MOV @R?, A MOV MM, A MOV R?, #II A, MM MOV A, @R? OR A, MM OR A, #II CPL A, R? OR 数据传输指令：MOV MOV 输入/输出指令: READ MM WRITE MM IN 跳转指令： 移位指令： 中断返回指令：RETI JC MM JZ MM JMP MM CALL MM RET RR A RRC A NOP A RLC A RL OUT 该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）： COP2000 模型机的微指令字长为 24 位，全部为操作控制部分，不含顺序控制字段。 微指令编码采用直接表示法，微地址形成采用计数器方式。微指令格式为水平型微指令。 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 位控制位作用分别如下： 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 输出寄存器 0 0 0 0 1 IN_OE 0 1 IA_OE 0 ST_OE 1 PC_OE 0 D_OE 0 0 1 1 0 外部输入门 中断向量 堆栈寄存器 PC 寄存器 直通门
    1 1 1 0 1 1 1 R_OE 0 L_OE 1 没有输出 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。 加 减 或 与 S2 S1 S0 功能 0 A+W 0 1 A-W 0 0 0 A|W 1 A&W 0 0 A+W+C 带进位加 1 1 A-W-C 1 带进位减 1 0 ~A A 取反 输出 A 1 A 1 0 0 1 1 0 0 1 1 2。计算机中实现乘法和除法的原理 （1）无符号乘法 1 例演示： 例：1101*1011 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 乘数 x 1011 被乘数 y 1101 11010 110100 1101000 0101 0010 0001 0000 说明 x 右移一位 y 左移一位 x 右移一位 y 左移一位 x 右移一位 y 左移一位 x 右移一位 y 左移一位 基本思想:乘数右移一位若标志位 C 得 1，中间结果加被乘数后被乘数左移一位乘数右 移一位，若标志位 C 得 0，中间结果不变被乘数左移一位，采用相同方法循环四次 。 ②硬件原理框图：
    简要说明：被乘数保存在寄存器 R0 中，乘数保存在 R1 中，循环次数保存在 R2 中， 中间数和计算结果保存在 R3 中。每次计算乘数右移一位，若移出的是 1 则加被乘数，并且 每运行一次被乘数左移一位，计数器减一，直至计数器的值为零。 ③算法流程图： 开始 给 R0,R1, R2, R3 赋值 R1 左移一位 C=1 y R3+R1R3 R0 左移 R2 减一 y R2=0 ？ y 结束 n n
    （2）无符号除法 ①实例演示： 例：10010101（x）/1101(y) 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 商 1 10 101 1011 除数 01101000 00110100 00011010 00001101 运算次数 1 2 3 4 基本思想：先把除数左移三位，与被除数作比较，若大于被除数，则商左移一位后 加 1；否则商左移一位。每次运算后除数右移一位，采用相同方法循环四次。 除法的设计思想和恢复余数法相类似，但是在设计指令和微指令时被除数减除数的 结果先存入累加器 R 中，然后判断标志寄存器 C 的值——如果被除数大于除数就把 A 的值 存回被除数的寄存器中，否则不用做任何变动，即不用恢复余数。 ②硬件原理框图： 简要说明：被除数保存在寄存器 R0 中，除数保存在 R1 中，商保存在 R2 中，循环次 数保存在 R3 中。运算结束后，余数保存在 R0 中。运算开始时除数左移三位。以后每运算 一次，计数器减一除数右移一位，商左移一位，并且若被除数大于除数商加 1。
    ③算法流程图： 开始 给 R0,R1, R2,R3 赋值 R1 左移三位 R2 左移一位 R0-R1=A C=1 n A->R0 R2+1R2 R1 右移一位 R3-1R3 R2=0 ？ y 结束 y n 注：R0 存放被除数，R1 存放除数，R2 存放商，R3 存放循环次数，运算结束后 R0 中存放余数。 3．对应于以上算法如何分配使用 COP2000 实验仪中的硬件 乘法时：寄存器 R0 中保存被乘数，R1 中保存乘数，R2 中保存循环次数，R3 中保存中间数 和最后的计算结果。 除法时：R0 存放被除数，R1 存放除数，R2 存放商，R3 存放循环次数，运算结束后 R0 中 存放余数。
    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 助记符 机器码 1 000000xx _FATCH _ 00-03 000001xx LD 04-07 R?,#II RRC R? 000010xx 08-0B 000101xx 14-17 000111xx 1C-1F 001000xx 20-23 001001xx 24-27 RLC R? ADD R?,A SUB A, #II LD A,R? LD R?,A 001010xx SUB R?, #II JC MM JZ MM JMP MM SHR R? SHL R? 28-2B 001011xx 2C-2F 001100xx 30-33 001101xx 34-37 001111xx 3C-3F 010000xx 40-43 010001xx 44-47 机器码 2 指令说明 II II II MM MM MM 把一个立即数存入寄存器中 寄存器的内容带进位右移 寄存器的内容带进位左移 寄存器的内容与累加器的内容相加，结果存 入寄存器中 寄存器的内容和一个立即数减，结果存入原 寄存器中 把寄存器的内容放进累加器中 把累加器的内容放入寄存器中 寄存器的内容与一个立即数减，结果放进寄 存器 条件转移指令，标志位 C 为 1 时，跳转 条件转移指令，标志位 z 为 1 时，跳转 无条件转移指令 寄存器的内容不带进位右移 寄存器的内容不带进位左移 ADD R?, #II 010010xx 48-4B II 寄存器内容与立即数相加
    SUB A, R? 010011xx 4C-4F 累加器内容与寄存器减 （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 PC -FATCH PC 输出 A 输出 CBFFFF T0 ->00 PC 写入 +1 指 令 寄 存 器 IR R?, T1 LD #II T0 04 05 C7FBFF 存 储 器 值 寄存器 R？ PC 输出 A 输出 +1 +1 EM CBFFFF 指 令 寄 存 器 IR PC 输出 A 输出 写入 +1 RRC R? T3 ->08 FFF7F7 寄 存 器 值 寄存器 A A 输出 +1 T2 T1 T0 RLC R? T3 T2 T1 T0 ADD R?,A T3 T2 T1 T0 T2 T1 T0 T1 SUB A,#II LD 09 0A 0B 14 15 16 17 1C 1D 1E 1F 20 21 22 24 R？ FFFEB7 ALU 右移 寄 存 器 A 标志位 C Z A 输出 带进位右 +1 移 FFFB9F ALU 直通 寄存器 R？ A 输出 CBFFFF 指 令 寄 存 器 IR PC 输出 A 输出 +1 写入 +1 FFF7F7 寄 存 器 值 寄存器 A A 输出 +1 R？ FFFCD7 ALU 左移 寄 存 器 A 标志位 C Z A 输出 带进位左 写入 +1 移 FFFB9F ALU 直通 寄存器 R？ A 输出 CBFFFF 指 令 寄 存 器 IR PC 输出 A 输出 FFF7EF 寄 存 器 值 寄存器 W R？ FFFE90 ALU 直通 寄 存 器 A 标志位 C Z FFFB9F ALU 直通 寄存器 R？ CBFFFF 指 令 寄 存 器 IR EM FFFE91 ALU 直通 CBFFFF 寄 存 器 A 标志位 C Z 指 令 寄 存 器 IR A 输出 加运算 A 输出 减运算 +1 写入 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 PC 输出 A 输出 写入 +1 C7FFEF 存 贮 器 值 寄存器 W PC 输出 A 输出 PC 输出 A 输出 写入 +1 FFF7F7 寄 存 器 值 寄存器 A A 输出 +1 +1
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