课程设计报告课程设计报告课程名称：课程名称：计算机组成原理课程设计计算机组成原理课程设计实验项目：实验项目：用微指令实现乘法和除法的程序用微指令实现乘法和除法的程序姓姓 名：名：专专 业：业：计算机科学与技术计算机科学与技术班班 级：级：计算机计算机 14-6 班班学学 号：号：成绩：计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 实验教学中心实验教学中心2016 年 9 月 1 日哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告设计项目名称：设计项目名称：用微指令实现乘法和除法的程序用微指令实现乘法和除法的程序 （2 2 学时）学时）一.设计目的1、通过学习用微指令实现乘法和除法的程序，巩固课本知识，加深对所学知识的理解,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。2、通过实际上机动手操作和亲自设计，锻炼自身的动手能力和实践能力，将课本的理论知识运用于实践，培养综合实践及独立分析、解决问题的能力，充分发挥理论联系实践的教学理念。3、通过上机学习对微指令的设计，为以后走上工作岗位奠定一定的基础，同时也为以后学习其他相关的内容做铺垫。4.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。二.设计内容针对 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.使用仪器cop2000 计算机组成原理 实验系统。四.设计步骤1、理解试验系统自带的每一条微指令的含义和具体工作流程。2、根据原有的微指令自己设计微指令。3、微指令设计完成后调试所有的微指令确保没有错误。4、用自己设计的微指令编写实现乘法和除法运算的程序。5、编写程序完毕后调试并运行代码，观察是否能够满足需求。五.微程序设计指令原理1.在微指令的控制字段中,每一位代表一个微命令,在设计微指令时,是否发出某个微命哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告令,只要将控制字段中相应位置成“1“或“0“,这样就可打开或关闭某个控制门。2.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）该模型机指令系统的特点：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、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。 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 A CPL A 将累加器 A 的值取反隐含寻址累加器 A OUT 将累加器 A 的值输出到输出端口寄存器 OUT 寄存器寻址 参与运算的数据在 将寄存器 R0 的值加上累加R0R3 的寄存器中 ADD A,R0 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 将寄存器 R1 的值作为地址，把存储器 EM 中，数据的地址 储器 EM 中该地址的内容送入累加哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告在寄存器 R0-R3 中 MOV A,R1 A 中 存储器直接寻址 参与运算的数据在存 将存储器 EM 中 40H 单元的数据储器 EM 中，数据的地 与累加器 A 的值作逻辑与运算，址为指令的操作数。 AND A,40H 结果存入累加器 A 立即数寻址 参与运算的数据 从累加器 A 中减去立即为指令的操作数。 SUB A,#10H 数 10H，结果存入累加器 A （2）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 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。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。 微指令控制信号的功能以及控制信号的说明 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。 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。 哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告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。 X2、X1、X0 X2、X1、X0 三位组合来译码选择将数据送到 DBUS 上的寄存器。 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 S2、S1、S0 三位组合决定 ALU 做何种运算。COP2000 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 X2,X1,X0 决定那一个寄存器输出数据。X2 X1 X0 输出寄存器0 0 0 IN_OE 外部输入门 0 0 1 IA_OE 中断向量 0 1 0 ST_OE 堆栈寄存器 0 1 1 PC_OE PC 寄存器 1 0 0 D_OE 直通门 1 0 1 R_OE 右移门 1 1 0 L_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。 S2 S1 S0 功能0 0 0 A+W 加0 0 1 A-W 减0 1 0 A|W 或0 1 1 A&W 与1 0 0 A+W+C 带进位加哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告1 0 1 A-W-C 带进位减1 1 0 A A 取反1 1 1 A 输出 A 6.设计具体过程1、理解试验系统自带的每一条微指令的含义和具体工作流程。2、根据原有的微指令自己设计微指令系统。根据所设计的每条微指令的工作原理，选择相应的控制功能，下面以微指令 ADD A, R？为例说明：第一个周期 T3,实现将寄存器 R 中的内容送到寄存器 W 中，控制信号 RRD 和 WEN 有效，控制信号选择如下：第二个周期 T1，实现将累加器 A 中的内容与寄存器 W 中的内容相加后送到累加器 A 中，控制信号 FEN 有效，影响标志位，不带进位加法 S2、S1、S0 为 000,AEN 有效，ALU 直通，X2、X1、X0 为 100。控制信号选择如下：第三个周期 T0,实现获得下一条微指令的入口地址，控制信号 EMRD、PCOE 和 IREN 有效。控制信号选择如下：哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 课程设计报告通过结构图检验自己所设计的微指令是否正确。结构图如下：3、微指令设计完成后调试所有的微指令确保没有错误。4、用自己设计的微指令编写实现乘法和除法运算的程序。乘法原理：本实验采取原码一位乘计算，控制流程如下：乘法运算前，将 A 寄存器清零，作为初始部分积，被乘数原码放在 X 中，乘数放在 Q中，计数器 C 存放乘数的位数 n。乘法开始后，首先通过异或运算，求出乘积符号并存在 S,接着将被乘数和乘数从原码形式变为绝对值。然后根据