【正文】 計算機組成原理課程設(shè)計報告班級：計算機/物聯(lián)網(wǎng) 1406 班 姓名： 宋世波 學(xué)號： 20143753 完成時間： 20161231 一、課程設(shè)計目的1．在實驗機上設(shè)計實現(xiàn)機器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗證，從而進一步掌握微程序設(shè)計控制器的基本方法并了解指令系統(tǒng)與硬件結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系；2．通過控制器的微程序設(shè)計，綜合理解計算機組成原理課程的核心知識并進一步建立整機系統(tǒng)的概念；3．培養(yǎng)綜合實踐及獨立分析、解決問題的能力。二、課程設(shè)計的任務(wù)針對COP2000實驗儀，從詳細了解該模型機的指令/微指令系統(tǒng)入手，以實現(xiàn)乘法和除法運算功能為應(yīng)用目標(biāo)，在COP2000的集成開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計全新的指令系統(tǒng)并編寫對應(yīng)的微程序；之后編寫實現(xiàn)乘法和除法的程序進行設(shè)計的驗證。三、 課程設(shè)計使用的設(shè)備（環(huán)境）1．硬件l COP2000實驗儀l PC機2．軟件l COP2000仿真軟件四、課程設(shè)計的具體內(nèi)容（步驟）1．詳細了解并掌握COP 2000模型機的微程序控制器原理，通過綜合實驗來實現(xiàn)（1） 模型機指令系統(tǒng)特點COP2000模型機包括了一個標(biāo)準(zhǔn)CPU所具備所有部件，這些部件包括：運算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移門L、直通門D、右移門R、寄存器組R0R程序計數(shù)器PC、地址寄存器MAR、堆棧寄存器ST、中斷向量寄存器IA、輸入端口IN、輸出端口寄存器OUT、程序存儲器EM、指令寄存器IR、微程序計數(shù)器uPC、微程序存儲器uM，以及中斷控制電路、跳轉(zhuǎn)控制電路。其中運算器和中斷控制電路以及跳轉(zhuǎn)控制電路用CPLD來實現(xiàn)，其它電路都是用離散的數(shù)字電路組成。微程序控制部分也可以用組合邏輯控制來代替。 模型機為8位機，數(shù)據(jù)總線、地址總線都為8位，但其工作原理與16位機相同。相比而言8位機實驗減少了煩瑣的連線，但其原理卻更容易被學(xué)生理解、吸收。模型機的指令碼為8位，根據(jù)指令類型的不同，可以有0到2個操作數(shù)。指令碼的最低兩位用來選擇R0R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令碼做為微地址來尋址微程序存儲器，找到執(zhí)行該指令的微程序。而在組合邏輯控制方式中，按時序用指令碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制位。在本模型機中，一條指令最多分四個狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期為一個時鐘脈沖，每個狀態(tài)周期產(chǎn)生不同的控制邏輯，實現(xiàn)模型機的各種功能。模型機的缺省的指令集分幾大類： 算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、跳轉(zhuǎn)指令、中斷返回指令、輸入/輸出指令。COP2000模型機指令的最低兩位(IR0和IR1)用來尋址R0~R3四個寄存器；IR2和IR3與ELP微控制信號，Cy和Z兩個程序狀態(tài)信號配合，控制PC的置數(shù)即程序的轉(zhuǎn)移。各種轉(zhuǎn)移的條件判斷邏輯如下所示： 當(dāng)ELP=1時，不允許PC被預(yù)置 當(dāng)ELP=0時： 當(dāng)IR3=1時，無論Cy和Z什么狀態(tài)，PC被預(yù)置 當(dāng)IR3=0時，若IR2=0，則當(dāng)Cy=1時PC被預(yù)置，若IR2=1，則當(dāng)Z=1時PC被預(yù)置（2） 模型機微指令系統(tǒng)特點（包括其微指令格式的說明等）模型機有24位控制位以控制寄存器的輸入、輸出，選擇運算器的運算功能，存儲器的讀寫。24位控制位分別介紹如下： XRD ： 外部設(shè)備讀信號，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。 EMWR： 程序存儲器EM寫信號。 EMRD： 程序存儲器EM讀信號。 PCOE： 將程序計數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上。 EMEN： 將程序存儲器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，由EMWR和EMRD決定是將DBUS數(shù)據(jù)寫到EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)送到DBUS。 IREN： 將程序存儲器EM讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計數(shù)器uPC。 EINT： 中斷返回時清除中斷響應(yīng)和中斷請求標(biāo)志，便于下次中斷。 ELP： PC打入允許，與指令寄存器的IRIR2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。 MAREN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)打入地址寄存器MAR。 MAROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。 OUTEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器OUT里。 STEN： 將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器ST中。 RRD： 讀寄存器組R0R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。 RWR： 寫寄存器組R0R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。 CN： 決定運算器是否帶進位移位，CN=1帶進位，CN=0不帶進位。 FEN： 將標(biāo)志位存入ALU內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。 XXX0:三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的寄存器。X2 X1 X0輸出寄存器0 0 0IN_OE 外部輸入門0 0 1IA_OE 中斷向量0 1 0ST_OE 堆棧寄存器0 1 1PC_OE PC寄存器1 0 0D_OE 直通門1 0 1R_OE 右移門1 1 0L_OE 左移門1 1 1沒有輸出 WEN： 將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入工作寄存器W中。 AEN： 將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入累加器A中。 SSS0:三位組合決定ALU做何種運算。S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1AW 減0 1 0A|W 或0 1 1Aamp。W 與1 0 0A+W+C 帶進位加1 0 1AWC 帶進位減1 1 0~A A取反1 1 1A 輸出A2. 計算機中實現(xiàn)乘法和除法的原理（1）無符號乘法①算法流程圖：②硬件原理框圖：（2）無符號除法①算法流程圖：②硬件原理框圖：①實例演示（即，列4位除法具體例子演算的算式）：0 1 0 0 0 0 1 10 1 1 00 1 0 0 0 0 1 1 00 1 1 0 ……………………………………10 0 1 0 0 1 1 00 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 ……………………………………00 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 ……………………………………1 0 0 1 1 1 0 0 00 0 1 1 1 0 0 0 00 1 1 0 ……………………………………1 0 0 0 13．對應(yīng)于以上算法如何分配使用COP2000實驗儀中的硬件（初步分配，設(shè)計完成后再將準(zhǔn)確的使用情況填寫在此處）（1）無符號乘法無符號乘法對應(yīng)于COP2000實驗儀的硬件具體分配使用情況如下表所示：無符號乘法的硬件分配情況硬件名稱實現(xiàn)算法功能描述寄存器R0存放被乘數(shù)寄存器R1存放乘數(shù)寄存器R2存放中間結(jié)果，最后變?yōu)榉e累加器A執(zhí)行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（減法）SHL R?（左移一位）、SHR R?（右移一位）等命令時所必須使用的寄存器。寄存器W執(zhí)行ADD A,R?（加法）、AND A，II（與運算）、SUB R?,A（減法）等雙操作數(shù)命令時所必須使用的寄存器。左移門L用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)左移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。直通門D用來控制ALU的執(zhí)行結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。右移門R用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)右移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。程序計數(shù)器PC① 控制程序按順序正常執(zhí)行；② 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程序能夠按需要自動執(zhí)行。③ 當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)時，由PC提供地址。存儲器EM存儲指令和數(shù)據(jù)。微程序計數(shù)器μPC向微程序存儲器μM提供相應(yīng)微指令的地址。微程序存儲器μM存儲相應(yīng)指令的微指令。（2）無符號除法 無符號除法對應(yīng)于COP2000實驗儀的硬件具體分配使用情況如下表所示：無符號除法的硬件分配情況硬件名稱實現(xiàn)算法功能描述寄存器R0存放被除數(shù)，計算后變?yōu)橛鄶?shù)。寄存器R1存放除數(shù)；寄存器R2存放中間結(jié)果，最后為商。寄存器R3當(dāng)作計數(shù)器使用，初始為4。累加器A① 計算時用來存放中間結(jié)果；② 執(zhí)行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（減法）等命令時所必須使用的寄存器。寄存器W執(zhí)行ADD A,R?（加法）、SUB A,R?（減法）等雙操作數(shù)命令時所必須使用的寄存器。左移門L用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)左移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。直通門D用來控制ALU的執(zhí)行結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。右移門R用來實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)右移一位的運算，并能夠控制該運算后的結(jié)果是否輸出到數(shù)據(jù)總線。程序計數(shù)器PC① 控制程序按順序正常執(zhí)行；② 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，從數(shù)據(jù)線接收要跳轉(zhuǎn)的地址，使程序能夠按需要自動執(zhí)行。③ 當(dāng)要從EM中讀取數(shù)據(jù)時，由PC提供地址。存儲器EM存儲指令和數(shù)據(jù)。微程序計數(shù)器μPC向微程序存儲器μM提供相應(yīng)微指令的地址。微程序存儲器μM存儲相應(yīng)指令的微指令。4．在COP2000集成開發(fā)環(huán)境下設(shè)計全新的指令/微指令系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果如表所示（可按需要增刪表項）（1） 新的指令集助記符機器碼1機器碼2指令說明_FATCH_000000xx 0003實驗機占用，不可修改。復(fù)位后，所有寄存器清0，首先執(zhí)行 _FATCH_ 指令取指。ADD R?, A000010xx 080BR?223。R?+AADD R?, II000011xx 0C0FIIR?223。R?+立即數(shù)SUB A, R?001100xx 3033A223。AR?SUBC A, R?010000xx 4043A223。AR?(帶進位)AND A, II010111xx 5C5FIIA和立即數(shù)與運算存入AMOV A, R?011100xx 7073R?224。AMOV A, II011111xx 7C7FII立即數(shù)存入AMOV R?, A100000xx 8083A224。R?MOV R?, II100011xx 8C8FII立即數(shù)存入R？JC MM101000xx A0A3MM標(biāo)志位Cy=1時跳轉(zhuǎn)JZ MM101001xx A4A7MM標(biāo)志位Z=1時跳轉(zhuǎn)JMP MM101011xx ACAFMM無條件跳轉(zhuǎn)_INT_101110xx B8BB實驗機占用，不可修改。進入中斷時，實驗機硬件產(chǎn)生INT指令NOP111000xx E0E3空指令SHL R?111101xx F4F7R?不帶進位左移，標(biāo)志位不改變SHR R?111100xx F0F3R?不帶進位右移，標(biāo)志位不改變（2） 新的微指令集助記符狀態(tài)微地址微程序數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)打入地址輸出運算器移位控制mPCPC_FATCH_T000CBFFFF浮空指令寄存器IRPC輸出A輸出寫入+101FFFFFF浮空浮空A輸出+