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1、优质文本成绩：课程设计报告课程名称：计算机组成原理课程设计实验工程：用微指令实现乘法和除法的程序姓 名：刘斌专 业：计算机科学与技术班 级：计算机14-6班学 号：计算机科学与技术学院实验教学中心 2016 年 9 月 1 日优质文本设计工程名称：用微指令实现乘法和除法的程序2 学时一.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根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.设计内容针对COP2000实验仪，从
2、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1硬件COP2000实验仪PC机2软件COP2000仿真软件3辅助COP2000计算机组成原理实验仪说明书。四.设计步骤1知识储藏1.1掌握计算机组成原理相关知识1.2掌握COP 2000模型机的微程序控制器原理。1.3掌握有关计算机中实现乘法和除法的算法流程与相应的硬件实现原理。2熟悉实验环境2.1熟悉COP2000仿真软件2.2将1.3中算法与COP2000实验仪的硬件资源相对应3分步设计
3、指令系统并逐步验证3.1设计“数据移动相关指令，并写程序验证功能3.2设计“加减法相关指令，并写程序验证功能3.3设计“整数移位相关指令，并写程序验证功能3.4设计“跳转相关指令，并写程序验证功能3.5设计“调用子函数相关指令，并写程序验证功能4设计乘除法，同时验证指令系统的整体功能4.1乘法算法设计，并用全新的指令系统实现，验证程序正确性的同时验证指令系统的正确性。4.2除法算法设计，并用全新的指令系统实现，验证程序正确性的同时验证指令系统的正确性。五.微程序设计指令原理该模型机指令系统的特点：1.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
4、加器A、工作存放器W、左移门L、直通门D、右移门R、存放器组R0-R3、程序计数器PC、地址存放器MAR、堆栈存放器ST、中断向量存放器IA、输入端口IN、输出端口存放器OUT、程序存储器EM、指令存放器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。微程序控制局部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
5、以有0到2个操作数。指令码的最低两位用来选择R0-R3存放器，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位控制位以控制存放器的输入、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。2模型机的寻址方式表1模型机的寻址方式模型机的寻址方式寻址方式说明指令
6、举例指令说明累加器寻址操作数为累加器ACPL A将累加器A的值取反隐含寻址累加器AOUT将累加器A的值输出到输出端口存放器OUT存放器寻址参与运算的数据在R0R3的存放器中ADD A,R0将存放器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中存放器间接寻址参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在存放器R0-R3中MOV A,R1将存放器R1的值作为地址，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。AND A,40H将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值作逻辑与运算，结果存入累加器A立即数寻址参与运算的数据为指令的操作数。SU
7、B A,#10H从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A该模型机微指令系统的特点包括其微指令格式的说明等：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。3微指令格式的说明模型机有24位控制位以控制存放器的输入、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
8、用直接按位的表示法，哪位为0，表示选中该微操作，而微程序的地址那么由指令码指定。这24位操作控制信号的功能如表2所示：按控制信号从左到右的顺序依次说明表2微指令控制信号的功能操作控制信号控 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存放器IR和微指令计数器PC
9、。EINT中断返回时去除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELPPC打入允许，与指令存放器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。MAREN将数据总线DBUS上数据打入地址存放器MAR。MAROE将地址存放器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存放器OUT里。STEN将数据总线DBUS上数据存入堆栈存放器ST中。RRD读存放器组R0R3，存放器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写存放器组R0R3，存放器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内部的标志存放器。X2X
10、2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的存放器。X1X0WEN将数据总线DBUS的值打入工作存放器W中。AEN将数据总线DBUS的值打入累加器A中。S2S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。S1S0COP2000中有7个存放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存放器输出数据. 由X2,X1,X0决定那一个存放器输出数据。X2 X1 X0输出存放器0 0 0IN_OE 外部输入门0 0 1IA_OE 中断向量0 1 0ST_OE 堆栈存放器0 1 1PC_OE PC存放器1 0 0D_OE 直通门1 0 1R_OE 右移门1 1 0L_OE 左移门1 1
11、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。运算数据由存放器A及存放器W给出, 运算结果输出到直通门D。S2 S1 S0功能0 0 0A+W 加0 0 1A-W 减0 1 0A|W 或0 1 1A&W 与1 0 0A+W+C 带进位加1 0 1A-W-C 带进位减1 1 0A A取反1 1 1A 输出A六.设计具体过程由于一次性设计整个指令系统比拟困难，这里将指令系统分为五大局部，每个局部独立设计并进行模块验证。分别是，数据移动指令，加减法指令，位移指令，跳转指令，子函数指令。第一局部：数据移动指令NMOV A,R?NMOV A,MMNMO
12、V A,#IINMOV R?,ANMOV MM.ANMOV R?,#II编写验证程序：NMOV A,#011HNMOV R0,ANMOV A,#022HNMOV R1,#033HNMOV A,R0NMOV 0E1H,ANMOV A,#022HNMOV A,0E1H分步执行程序，直至每步结果正确。通过观察每步操作，以证明结果正确，可进行下一局部设计。第二局部：加减法指令设计NADD A,R?NADD A,MMNADD A,#IINSUB A,R?NSUB A,MMNSUB A,#II编写验证程序：NMOV A,#011HNMOV R0,#02HNMOV 0E1H,ANADD A,#01HNADD
13、 A,R0NADD A,0E1HNSUB A,#01HNSUB A,R0NSUB A,0E1H分步执行程序，直至每步结果正确。通过观察每步操作，以证明结果正确，可进行下一局部设计。第三局部：位移指令NRRC A编写验证程序：NMOV A,#0FFHNRRC A分步执行程序，直至每步结果正确。通过观察每步操作，以证明结果正确，可进行下一局部设计。第四局部：跳转指令NJCNJZNJMP编写验证程序：NMOV A,#0FFHNSUB A,#0FFHNJZ NEXTNMOV A,#0DDHNEXT:NMOV A,#0FDHNADD A,#0FDHNJC NEXT2NMOV A,#0EEHNEXT2:N
14、JMP NEXT3NMOV A,#0DDHNEXT3:NMOV A,#01H分步执行程序，直至每步结果正确。通过观察每步操作，以证明结果正确，可进行下一局部设计。第五局部：子函数指令NCALL MMNRET编写验证程序：NJMP NEXTUP:NMOV A,#02HNRETNEXT:NCALL UPNMOV A,#03H分步执行程序，直至每步结果正确。通过观察每步操作，以证明结果正确，可进行下一局部设计。现在进行乘除法程序设计，并最终验证程序，同时验证指令系统乘法程序设计：NJMP MAIN N_cheng_R0123:NMOV R2,#0HNMOV R3,#8HNMOV A,#0HN_che
15、ng_loop:NMOV A,R1NRRC ANJC N_cheng_jc_elseNJMP N_cheng_jc_endN_cheng_jc_else:NMOV A,R2NADD A,R0NMOV R2,AN_cheng_jc_end:NMOV A,R2NRRC ANMOV R2,ANMOV A,R1NRRC ANMOV R1,ANMOV A,R3NSUB A,#1HNJZ N_cheng_retNMOV R3,ANJMP N_cheng_loopN_cheng_ret:NMOV A,#0HNRETMAIN:NMOV R0,#012HNMOV R1,#011HNCALL N_cheng_R0
16、123NMOV A, R1NMOV 0E1H,ANMOV A,R2NMOV 0E0H,AEND结果：答案在E0，E1除法程序设计：NJMP MAINN_chu_R012:NMOV R2,#0HNMOV A,#0HNADD A,R1NJZ N_chu_retN_chu_loop:NMOV A,R0NSUB A,R1NJC N_chu_retNMOV R0,ANMOV A,R2NADD A,#01HNMOV R2,ANJMP N_chu_loopN_chu_ret:NRETMAIN:NMOV R0,#11HNMOV R1,#2HNCALL N_chu_R012NMOV A, R0NMOV 0F0H
17、,ANMOV A,R2NMOV 0F1H,AEND结果：答案在F0,F1，F0为余数，F1为结果子函数写入同一个程序进行测试：编写程序：NJMP MAINN_cheng_R0123:NMOV R2,#0HNMOV R3,#8HNMOV A,#0HN_cheng_loop:NMOV A,R1NRRC ANJC N_cheng_jc_elseNJMP N_cheng_jc_endN_cheng_jc_else:NMOV A,R2NADD A,R0NMOV R2,AN_cheng_jc_end:NMOV A,R2NRRC ANMOV R2,ANMOV A,R1NRRC ANMOV R1,ANMOV
18、A,R3NSUB A,#1HNJZ N_cheng_retNMOV R3,ANJMP N_cheng_loopN_cheng_ret:NMOV A,#0HNRETN_chu_R012:NMOV R2,#0HNMOV A,#0HNADD A,R1NJZ N_chu_retN_chu_loop:NMOV A,R0NSUB A,R1NJC N_chu_retNMOV R0,ANMOV A,R2NADD A,#01HNMOV R2,ANJMP N_chu_loopN_chu_ret:NRETMAIN:NMOV R0,#14HNMOV R1,#11HNCALL N_cheng_R0123NMOV A,
19、R1NMOV 0E1H,ANMOV A,R2NMOV 0E0H,ANMOV R0,#11HNMOV R1,#2HNCALL N_chu_R012NMOV A, R0NMOV 0F0H,ANMOV A,R2NMOV 0F1H,AEND乘除连算运行结果乘法结果在E0，E1，除法结果在F0，F1，F0为余数，F1为结果至此，验证的，程序验证结果正确，微指令系统正确可用七.运行结果乘法结果除法结果乘除连算结果八.程序代码1.源程序代码NJMP MAINN_cheng_R0123:NMOV R2,#0HNMOV R3,#8HNMOV A,#0HN_cheng_loop:NMOV A,R1NRRC ANJ
20、C N_cheng_jc_elseNJMP N_cheng_jc_endN_cheng_jc_else:NMOV A,R2NADD A,R0NMOV R2,AN_cheng_jc_end:NMOV A,R2NRRC ANMOV R2,ANMOV A,R1NRRC ANMOV R1,ANMOV A,R3NSUB A,#1HNJZ N_cheng_retNMOV R3,ANJMP N_cheng_loopN_cheng_ret:NMOV A,#0HNRETN_chu_R012:NMOV R2,#0HNMOV A,#0HNADD A,R1NJZ N_chu_retN_chu_loop:NMOV A,
21、R0NSUB A,R1NJC N_chu_retNMOV R0,ANMOV A,R2NADD A,#01HNMOV R2,ANJMP N_chu_loopN_chu_ret:NRETMAIN:NMOV R0,#14HNMOV R1,#11HNCALL N_cheng_R0123NMOV A, R1NMOV 0E1H,ANMOV A,R2NMOV 0E0H,ANMOV R0,#11HNMOV R1,#2HNCALL N_chu_R012NMOV A, R0NMOV 0F0H,ANMOV A,R2NMOV 0F1H,AEND2.微指令系统指令系统表第一局部，数据移动指令第二局部，加减指令第三局部，
22、位移指令第四局部，跳转指令第五局部，子函数调用指令九.设计总结本次指令系统设计特点：指令系统设计时，采用分步完成的方式，极大的降低了设计的困难程度。先将指令系统划分成六大局部：数据移动，加减，位移，跳转，子函数。然后对于每一局部都独立设计，一局部设计完就写个小程序验证正确性，防止了最后统一验证时错误过多难以解决的为难场面。当我们每一个小局部都验证完成，那么我们整个系统也就设计完成。优点：简介有效，极大的降低设计的困难程度。缺点：屡次验证需要设计的程序比拟多。整体来说，我们的优点明显好于缺点，所以此种设计方式非常有优势。本次乘除法程序设计特点：通过查找资料，明确了我们将使用的具体算法，然后在纸上
23、画好程序框图，然后对照程序框图书写伪代码，再将伪代码翻译成对应指令系统的汇编语言。经过程序框图梳理思路，然后又有伪代码的辅助，最后一步翻译就变得非常简单。程序编写过程中，将乘除法设计成子函数的形式，极大的简化了整体逻辑，然后又采用统一格式的命名规那么，这种方式保证了我们实现好的函数可以随意的复制到任何一个程序中，使得我们可以非常好的将乘除法的函数写到一个程序里，防止了名称上的混乱，很好的控制了程序复杂度，也可以通过屡次调用处理多组数据。优点：程序设计，逐层深入，有效的降低了出错的可能性，采用函数形式，逻辑简洁，可屡次调用。缺点：需要确保R0，R1，R2，R3内没有数据，并且调用前还必须将数据存入R0，R1。函数返回时，结果依然存在R0，R1，R2，我们还需要一步将数据存到内存中，才能进行下一次调用。整体来说，我们的优点明显好于缺点，所以此种设计方式非常有优势。