1、计算机组成原理课程设计报告班级：计算机 班 姓名： 学号： 完成时间：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
2、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：1 .模型机总体结构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
3、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。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，用指令码作为微地址来寻址 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
4、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。2 .模型机寻址方式模型机的寻址方式分五种：累加器寻址：操作数为累加器 A,例如“CPL A”是将累加器 A值取反，还有些指令是隐含寻址累加器A,例如“ OUT”是将累加器 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 R0-R3的寄存器中，例如 “ADD A,R0”指令是将寄存器 R0的值加上累加器 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储器 EM中，数据的地址在寄存器 R0-R3 中，例如 “MOV A, R1”指令是
5、将寄存器 R1的值做为地址，把存储器 EM中该地址 的内容送入累加器 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。例如“ AND A, 40H”指令是将存储器 EM中40H单元的数据与累加器 A的值做逻 辑与运算，结果存入累加器 Ao立即数寻址：参与运算的数据为指令的操作数。例如“SUB A, #10H是从累加器A中减去立即数10H,结果存入累加器 Ao3 .模型机指令集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。算术运算指令：逻辑运算指令：数据传输指令：跳转指令：ADD A, R?
6、AND A, R?MOV A, R?JC MMADD A, R?AND A, R?MOV A, R?JZ MMADD A, MMAND A, MMMOV A, MMJMP MMADD A, #IIAND A, #IIMOV A, #IICALL MM RETADDC A, R?OR A, R?MOV R?, AADDC A, R?OR A, R?MOV R?, AADDC A, MMOR A, MMMOV MM, AADDC A, #IIOR A, #IIMOV R?, #IISUB A, R?CPL ASUB A, R?SUB A, MMSUB A, #IISUBC A, R?SUBC A,
7、 R?SUBC A, MMSUBC A, #II移位指令：中断返回指令：输入/输出指令：RR ARETIREAD MMRL AWRITE MMRRC AINRLC AOUT4 .模型机指令格式loOOCOOxw叩- 03实瞌机占用，不可修改复位后，月ADD跖AOOOOOLxx04 - 07ADD%#110000lOxx03 - OEIISUB%A00001IwxOC - OF|机器码2 |机器码厂国I助记符助记符操作数1操作赖？机器利1机詈码2机器码3删除|修改|JATCK_00-03指令系统|出微程序|跟踪该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：1 .总体概述该模型机的微命令是
8、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。2.模型机微指令格式 相专系统此符程序|跟舁|助记得优地hi |母雇序|蓟崎出畸樨打入|地址箱出移位控制3c |rcno卜口;匚BTFFF j羟I脂今奇。器邛FC础= 01 FPTFPF 拜空浮空4|2 FFTFFF浮空十103 IrfTFfT 浮江浮空41，仙 EVO ElfBS FOXE EHEff IKEH EUH p p r r p r fELTH亚卫 OUTTB SVEJf RED KtfR OT FEB12 II Xf
9、l YEM AIN S2 S SOpc：od oFC：ao a.co w oo r：a z oRD.DO RL ：QD R2 OO R3：0DIR iJO SJ 00 IhEOih：od our aaIE CM BEWS：fF IBU5：D0L 00 D：OD R DO3.模型机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
10、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。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uPCoEINT :中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。E
11、LP : 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、X
12、I、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000IN_OE外部输入门001IA_OE中断向量010ST_OE堆栈寄存器011PC_OEPC寄存器100D_OE直通门101R_OE右移门110L_OE左移门111没有输出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功能000A+W加001A-W减010A|W或011A&W与100A+W+C带进位加101A-W-C带进位减110AA取反111A输出A2.计算机中实现乘法和除法的原理(1
13、)无符号乘法算法流程图：硬件原理框图:(2)无符号除法算法流程图:硬件原理框图:除 数 右 移3.对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件（1）无符号乘法硬件名称实现算法功能描述寄存器R0 初始化时，用来存放被乘数；在程序执行的过程中，用来存放向左移位后的被乘数。寄存器R1 初始化时，用来存放乘数；在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的乘数。寄存器R2计算时用来存放部分积和最后的积累加器A执彳T ADDA,R?（加法）、SHL R?（左移一位）、SHR R?（右 移一位）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执彳T ADD A,R?（加法）、TEST R?,#II （测试 R2的
14、末位） 等双操作数命令时所必须使用的寄存器。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控制程序按顺序正常执行； 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。当要从EM中读取数据时，由 PC提供地址。存储器EMr存储指令和数据。微程序计数器向微程序存储器科M提供相应微指令的地址。科PC微程序存储器pM存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（
15、本实验未用）。堆栈ST当存储于累加器 A的值将要受到破坏时，将其数据保存在 堆栈ST中，使程序能够正常地执行。（2）无符号除法硬件名称实现算法功能描述寄存器R0初始化时，用来存放被除数和计算后的余数。寄存器R1 初始化时，用来存放除数； 在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的除数。寄存器R2:在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。寄存器R3当作计数器使用，用来控制程序是否结束。累加器A 计算时用来存放中间结果；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。寄存器W执彳T SUB A,R?（减法）等双操作数命令时所必须使用的寄 存器。左移门L用来实现相应
16、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控制程序按顺序正常执行； 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。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。微程序计数器科PC向微程序存储器科M提供相应微指令的地址。微程序存储器pM存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT可以将运算结果输出到输出寄存器OUT（本实验未用）。堆栈ST当存储于累加器 A的值将要受到破坏时，将其
17、数据保存在 堆栈ST中，使程序能够正常地执行。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（如果针对乘除法设计了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_FATCH_000000XX00-03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。MOVR?,#II000001XX04-07II将立即数II存放到寄存器R神。MOVR?,A000010XX08-0B将寄存器A内容送入寄存器R?中MOVA,R?000011XX0C-0F将寄存器R?中的数放入累加器 A中。ADDR?,A0001
18、00XX10-13将累加器A中的数加入到寄存器 R?中，并影响标志位。ADDA,R?000101XX14-17将寄存器R?中的数加入到累加器 A中SUB A,R?000110XX18-1B将寄存器A中的数据与R?中的内容相减，结果存入A 中。ADDR?,#II000111XX1C-1FII将寄存器R?中的数据与立即数相与，结果存入R?。NOT R?001000XX20-23将寄存器R?中的数据取反。RL R?001001XX24-27将寄存器R?中的数据逻辑左移一位。RR R?001010XX28-2B将寄存器R?中的数据逻辑右移一位。RLC R?001011XX2C-2F将寄存器R?中的数据
19、带进位左移一位。RRC R?001100XX30-33将寄存器R?中的数据带进位右移一位。CLR R?001101XX34-37将寄存器R?中的内容清零。TEST R?001110XX38-3B测试寄存器R?中的内容是否为零。ENDP001111XX3C-3F程序结束。JC MM010000XX40-43MM若进位标志位置1,跳转到MM地址。JZ MM010001XX44-47MM若零标志位置1 ,跳转到MM地址。JMP MM01001048-4BMM无条件跳转到MM地址。(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RPCPC_FATCH_T000CBFF
20、FF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFF浮空浮空A输出+102FFFFFF浮空浮空A输出+103FFFFFF浮空浮空A输出+1MOVR?,#IIT104C7FBFF存储器值EM寄存器R?PC输出A输出+1+1T005CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+106FFFFFF浮空A输出+1+107FFFFFF浮空A输出+1+1MOV R?,AT108FFFB9FALU直通寄存器R?浮空A输出+1T009CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+10AFFFFFF浮空浮空A输出+10BFFFFFF浮空浮空A输出+1MOV A,R?T10CFFF7F7寄存器值R
21、?寄存器A浮空A输出+1T00DCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+10EFFFFFF浮空浮空A输出+10FFFFFFF浮空浮空A输出+1ADDR?,AT210FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T111FFFB98ALU直通寄存器R?浮空A输出+1T012CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+113FFFFFF浮空浮空A输出+1ADDA,R?T214FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T115FFFE90ALU直通寄存器A,标 志位C,Z浮空A输出+1T016CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+117FFFFFF浮空浮空A输出+1S
22、UB A,R?T218FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T119FFFE91ALU直通寄存器A,标 志位C,Z浮空减运算+1T01ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+11BFFFFFF浮空浮空A输出+1ANDR?,#IIT31CC7FFEF存贮器值EM寄存器WPC输出A输出+1T21DFFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T11EFFFB9BALU直通寄存器R?1浮空与运算+1T01FCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1NOT R?T220FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T121FFFB9EALU直通寄存器R?浮空A取反+1T0
23、22CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+123FFFFFF浮空浮空A输出+1RL R?T224FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T125FFF8DFALU左移寄存器 R?, 标志位C,Z浮空A输出左移+1T026CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+127FFFFFF浮空浮空A输出+1RR R?T228FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T129FFF8BFALU右移寄存器 R?, 标志位C,Z浮空A输出右移+1T02ACBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+12BFFFFFF浮空浮空A输出+1RLC R?T22CFFF7F7寄存器值R
24、?寄存器A浮空A输出+1T12DFFFADFALU左移寄存器 R?, 标志位C,Z浮空A输出带进位左 移+1T02ECBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+12FFFFFFF浮空浮空A输出+1RRC R?T230FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T131FFFABFALU右移1寄存器 R?,浮空A输出带进位右+1标志位C,Z移T032CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+133FFFFFF浮空浮空A输出+1CLR R?T334FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T235FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T136FFFB99ALU直通寄存器
25、R?浮空减运算+1T037CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1TEST R?T338FFF7F7寄存器值R?寄存器A浮空A输出+1T239FFF7EF寄存器值R?寄存器W浮空A输出+1T13AFFFE92ALU直通寄存器R?, 标志位C,Z浮空或运算+1T03BCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+1ENDPT03CCBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+13DFFFFFF浮空浮空A输出+13EFFFFFF浮空浮空A输出+13FFFFFFF浮空浮空A输出+1JC MMT140C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T041CBFFFF浮空指
26、令寄存器IRPC输出A输出写入+142FFFFFF浮空浮空A输出+143FFFFFF浮空浮空A输出+1JZ MMT144C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T045CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+146FFFFFF浮空浮空A输出+147FFFFFF浮空浮空A输出+1JMP MMT148C6FFFF存贮器值EM寄存器PCPC输出A输出+1写入T049CBFFFF浮空指令寄存器IRPC输出A输出写入+14AFFFFFF浮空浮空A输出+14BFFFFFF浮空浮空A输出+15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
27、的算法流程图与汇编语言程序清单：汇编语言程序清单：MOV R0,#07HMOV R1,#05HCLR R2 ;R2P1:TEST R1JZ WRRC R1JC SP2:RL R0JMP PP3:MOV A,R0ADD R2,AJMP QP4:ENDPL:JMP L; 初始化被乘数; 初始化乘数; 清零;测试乘数是否为 0;是 0 跳转，程序结束;进位右移;CF=1,跳到 S;R0 左移;跳到P2）除法4 位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：汇编语言程序清单：MOVR0,#63H;初始化被除数MOVR1,#08H;初始化除数MOV A,R1MOV R3,ARRR3;初始化计数器CLR R2;清
28、零商TEST R1;检验除数是否为0JZ C0;是 0 ，跳转报错RLR1RLR1RLR1RLR1; 对齐被除数与除数MOV A,R0SUBA,R1;判断商是否不超过5位JCB1;不超过，跳转JMP C0 ;超过，报错B0:MOV A,R3SUB A,R1JZ C1;控制循环次数MOVA,R0SUBA,R1JCB1JMPB2;余数为正,做减法B1:ADDA,R1;余数为负，做加法B2:MOVR0,ARRR1;右移除数RLCR2;余数为负则C=1 ,左移上1;余数为正则 C=0 ,左移上0JMPB0;跳转C0:MOVR0,#0FFH ;报错MOVR1,#0FFHMOVR2,#0FFHMOVR3,
29、#0FFHJMPENDDC1:NOTR2;取反得商ANDR2,#0FH;商不超过4位ENDD:ENDPP:JMP P6.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内容。按每个程序一张表进行。1.乘法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PCNPC运行时寄存器或存储器 的值MOV R0,#07H000407C7FBFFCBFFFF01020405R0=07,EM=07,IR=04MOV R1,#05H020505C7FBFFCBFFFF03040405R1=05,EM=05,IR=05CLR R20436FFF7F7FFF7EFCBFFFF0534353637
30、IR=36,EM=36,R2=0,A=0,W=0TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BIR=39,EM=39, R1=05,A=05 W=05JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABF093031EM=31,IR=31R1=02CBFFFF32JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0EMOV A,R00E0CFFF7F7CBFFFF0F0C0DEM=0C,IR=0CR0=07,A=07ADD R2
31、,A0F12FFF7EFFFFB98CBFFFF10101112EM=12,IR=12R2=0,W=0R2=07JMP P210480BC6FFFFCBFFFF110B4849EM=48,IR=48EM=0BRL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24 R0=07,A=07 R0=0EJMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BEM=39,IR=39 R1=02,A=02 W=02A=02JZ P40644
32、12C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABFCBFFFF09303132EM=31,IR=31 R1=02,A=02 R1=01JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0ERL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24R0=0E,A=0ER0=1CJMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393
33、A3BEM=39,IR=39 R1=01,A=01 W=01A=01JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07084445EM=44,IR=44EM=12RRC R10831FFF7F7FFFABFCBFFFF09303132EM=31,IR=31 R1=01,A=01 R1=00JC P309400EC6FFFFCBFFFF0A0E4041EM=40,IR=40EM=0EMOV A,R00E0CFFF7F7CBFFFF0F0C0DEM=0C,IR=0CR0=1C,A=1CADD R2,A0F12FFF7EFFFFB98CBFFFF10101112EM=12,IR=12 R2=07,W
34、=07 R2=23JMP P210480BC6FFFFCBFFFF110B4849EM=48,IR=48EM=0BRL R00B24FFF7F7FFF8DFCBFFFF0C242526EM=24,IR=24R0=1C,A=1CR0=38JMP P10C4805C6FFFFCBFFFF0D054849EM=48,IR=48EM=05TEST R10539FFF7F7FFF7EFFFFE92CBFFFF0638393A3BEM=39,IR=39 R1=00,A=00 W=00A=00JZ P4064412C6FFFFCBFFFF07124445EM=44,IR=44EM=12ENDP123CCBF
35、FFF133CEM=3C,IR=3CJMP L134813C6FFFFCBFFFF14134849EM=48,IR=48EM=132.除法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PCNPC运行时寄存器或存储器 的值MOV R0,#63H000463C7FBFFCBFFFF01020405EM=04,IR=04EM=63,R0=63MOV R1,#08H020508C7FBFFCBFFFF03040405EM=05,IR=05EM=08,R1=08MOV A,R1040DFFF7F7CBFFFF050C0DEM=0D,IR=0D R1=08,A=08MOV R3,A050BFFFB9FCBFFFF060809EM=0B,IR=0BR3=08RR R3062B
