組成原理課設(shè)報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名：范華澤 班級：軟件111班 學(xué)號：20110101412030目 錄第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求11.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2 具體要求11.3 設(shè)計(jì)環(huán)境1第2章 總體設(shè)計(jì)方案22.1 設(shè)計(jì)原理22.2 設(shè)計(jì)思路2第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案43.1 設(shè)計(jì)邏輯圖43.2 算法流程圖63.3 微指令設(shè)計(jì)過程9第4章 測試程序與結(jié)果194.1 測試程序194.2 結(jié)果234.3 出現(xiàn)的問題及解決辦法27第5章 小結(jié)28第6章 參考資料29第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容如下：(a) 指令系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)行加、減運(yùn)

2、算和無條件轉(zhuǎn)移，具有累加器尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、存儲器直接尋址、立即數(shù)尋址等五種尋址方式(b) 指令系統(tǒng)至少要包括六條指令，具有上述功能和尋址方式(c) 根據(jù)微操作流程及給定的微指令格式寫出相應(yīng)的微程序(d) 將所設(shè)計(jì)的微程序在虛擬環(huán)境中運(yùn)行調(diào)試程序，并給出測試思路和具體程序段2. 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容如下：(a) 利用計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀和仿真軟件，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)原碼一位乘(b) 寫出總體設(shè)計(jì)方案（包括設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思路等）和詳細(xì)設(shè)計(jì)方案(c) 編寫實(shí)現(xiàn)乘法的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的驗(yàn)證1.2 具體要求1. 鞏固和深刻理解“計(jì)算機(jī)組成原理”課程所講解的原理，加深對計(jì)算機(jī)各模塊協(xié)同

3、工作的認(rèn)識。2. 通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令及對應(yīng)的微指令（微程序）并驗(yàn)證，從而掌握微程序設(shè)計(jì)的思想和具體流程、操作方法。3. 通過控制器的微程序設(shè)計(jì)，綜合理解計(jì)算機(jī)組成原理課程的核心知識，并進(jìn)一步建立整機(jī)系統(tǒng)的概念。4. 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作和創(chuàng)新思維的能力，取得設(shè)計(jì)與調(diào)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀，微機(jī)，相關(guān)虛擬軟件。第2章 總體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)原理a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 編寫一個(gè)指令系統(tǒng)，根據(jù)所編寫的指令的功能來設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序。首先利用MOV傳送指令來給寄存器和累加器傳送立即數(shù)，實(shí)現(xiàn)立即數(shù)尋址；利用寄存器尋址方式，用ADDC指令對兩者進(jìn)行相加

4、運(yùn)算；利用寄存器間接尋址方式，用SUB指令實(shí)現(xiàn)減運(yùn)算；利用累加器尋址方式，用CPL指令實(shí)現(xiàn)對累加器尋址；利用存儲器尋址方式，用JMP指令實(shí)現(xiàn)程序的無條件跳轉(zhuǎn)。這樣，所要設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)的功能就全部實(shí)現(xiàn)了。b) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原碼一位乘，兩個(gè)原碼數(shù)相乘，其乘積的符號為相乘兩數(shù)符號的異或值，數(shù)值則為兩數(shù)絕對值之積。例：X=0.1100，Y=0.1110，計(jì)算乘積X*Y。0.11000000110011000.10101000在計(jì)算時(shí)，逐次按乘數(shù)每1位上的值是1還是0，決定相加數(shù)取被乘數(shù)的值還是取零值，而且相加數(shù)逐次向左偏移1位，最后一起求積。由于在計(jì)算機(jī)內(nèi)多個(gè)數(shù)據(jù)一般不能同時(shí)相加，一次加

5、法操作只能求出兩數(shù)之和，因此每求得一個(gè)相加數(shù)，就與上次部分積相加每次計(jì)算時(shí)，相加數(shù)逐次向左偏移一位，由于最后的乘積位數(shù)是乘數(shù)（被乘數(shù)）的兩倍，因此加法器也需增到兩倍。部分積右移時(shí)，乘數(shù)寄存器同時(shí)右移一位，所以用乘數(shù)寄存器的最低位來控制相加數(shù)取被乘數(shù)或零，同時(shí)乘數(shù)寄存器接收部分積右移出來的一位，完成運(yùn)算后，部分積寄存器保存乘積的高位部分，乘數(shù)寄存器中保存乘積的低位部分。根據(jù)人工算法可以知道，原碼一位乘法的整體設(shè)計(jì)應(yīng)包括乘數(shù)寄存器，被乘數(shù)寄存器，移位電路，控制器，部分積五大模塊，包含一個(gè)輸入、輸出、控制器模塊，并作為頂層設(shè)計(jì)，以上五大模塊作為底層設(shè)計(jì)，采用硬件器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。2.2 設(shè)計(jì)思路a) 微

6、程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)編寫一個(gè)指令系統(tǒng)，根據(jù)所編寫的指令的功能來設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序。首先利用MOV傳送指令來給寄存器和累加器傳送立即數(shù)，實(shí)現(xiàn)立即數(shù)尋址；利用寄存器尋址方式，用ADDC指令對兩者進(jìn)行相加運(yùn)算；利用寄存器間接尋址方式，用SUB指令實(shí)現(xiàn)減運(yùn)算；利用累加器尋址方式，用CPL指令實(shí)現(xiàn)對累加器尋址；利用存儲器尋址方式，用JMP指令實(shí)現(xiàn)程序的無條件跳轉(zhuǎn)。這樣，所要設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)的功能就全部實(shí)現(xiàn)了。b) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原碼一位乘法器的設(shè)計(jì)主要包含如下2個(gè)部分：準(zhǔn)備階段，分別將被乘數(shù)和乘數(shù)送到寄存器當(dāng)中，標(biāo)記為的寄存器初始化為04H,部分積初始化為零；運(yùn)算階段，看被乘數(shù)的最低位，若為零

7、則不進(jìn)行運(yùn)算，X左移一位,Y右移一位，同時(shí)C=C-1 ，若最低位為1，則A=X+A, X左移一位,Y右移一位，同時(shí)C=C-1,直至C為零時(shí)輸出結(jié)果。第3章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)邏輯圖a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）MOV A, #II （2）MOV R?,#II （3）MOV R?,APCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSEMàR?PCàABUSPC+1R? àMARMARàABUSAàDàEM

8、 （4）ADDC A,R? （5）SUB A,R? （6）CPL APCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSPC+1R? àWR? àMARPCàABUSPC+1AàALU(A取反)ALUàAA+WàALUALUàAMARàABUSEMàWA-WàALUALUàA （7）JMP MMPCàABUSPC+1 PCàABUSEMàPCb) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)乘數(shù)X->R1被乘數(shù)Y->

9、R0標(biāo)記位C->R3部分積R2->00HQn=1Qn=0(X)+(A)->AX左移Y右移X左移Y右移C-1->CC-1->C3.2 算法流程圖a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）MOV A, #II （2）MOV R?,#II （3）MOV R?,APCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSEMàR?PCàABUSPC+1R? àMARMARàABUSAàDàEM （4）ADD

10、C A,R? （5）SUB A,R? （6）CPL APCàABUSPC+1PCàABUSEMàAPCàABUSPC+1R? àWR? àMARPCàABUSPC+1AàALU(A取反)ALUàAA+WàALUALUàAMARàABUSEMàWA-WàALUALUàA （7）JMP MMPCàABUSPC+1 PCàABUSEMàPCb) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開始乘數(shù)X->R1被乘數(shù)Y->R0標(biāo)記位

11、C->R3部分積R2->00HR0與01H比較Qn=1?準(zhǔn)備(X)+(A)->AX左移Y右移C-1->CC=0?N結(jié)束YNY 運(yùn)算3.3 微指令設(shè)計(jì)過程a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 創(chuàng)建指令系統(tǒng)a.打開COP2000計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)系統(tǒng)b.打開文件菜單c.單擊新建指令系統(tǒng)/微程序。2. 輸入指令MOV R0，#55H 立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送MOV A，#33H 立即數(shù)尋址，數(shù)據(jù)傳送MOV R0，A 將A的值存入以R0為地址的內(nèi)存單元ADDC A，R0 寄存器尋址，帶進(jìn)位加SUB A，R0 寄存器間接尋址，減運(yùn)算CPL A 累加器尋址，求反 JMP 0 存儲器尋址，

12、無條件跳轉(zhuǎn)3. 根據(jù)指令功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序1. MOV A, #II該指令為兩個(gè)周期狀態(tài)，T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：2. MOV R?,#II該指令為兩個(gè)周期狀態(tài)，T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：3. MOV R?,A該指令為三個(gè)周期狀態(tài)，T2狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：4. ADDC A,R?該指令為三個(gè)周期狀態(tài)，T2狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：5. SUB A,R?該指令為四個(gè)周期狀態(tài)，T3狀

13、態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T2狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：6. CPL A該指令為兩個(gè)周期狀態(tài)，T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：7. JMP MM該指令為兩個(gè)周期狀態(tài)，T1狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：T0狀態(tài)的設(shè)計(jì)及可控制信號如下：4. 保存指令系統(tǒng)/微程序a.打開COP2000計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)系統(tǒng)b.打開文件菜單c.單擊保存指令系統(tǒng)/微程序，起個(gè)后綴名為yi.asmb) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 創(chuàng)建指令系統(tǒng)a.打開COP2000計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)系統(tǒng)b.打開文件菜單c.單擊新建指令系統(tǒng)/

14、微程序。2. 在源程序窗口輸入下面程序：mov R0,#00Hmov r1,#08hmov r2,#08hmov r3,#05hloop:mov a,r3 ;判斷循環(huán)次數(shù)是否0sub a,#01hmov r3,a mov a,r3sub a,#00hjz next2 ;如果為0，則跳轉(zhuǎn)mov a,r1and a,#01h ;判斷乘數(shù)末尾是否為1jz next mov a,r0 ;乘積末尾是1add a,r2mov r0,aand a,#01h ;判斷部分積末尾是否為1jz next1 ;部分積末尾是1mov a,r0rr amov r0,amov a,r1rr aadd a,#8hmov r1

15、,ajmp loop ;循環(huán)次數(shù)不為零，循環(huán)next: ;乘積末尾為0mov a,r0and a,#01h ;判斷部分積末尾是否為0jz next1 mov a,r0rr amov r0,amov a,r1rr aadd a,#8hmov r1,ajmp loop next1: ;部分積末尾為0mov a,r0rr amov r0,amov a,r1rr amov r1,ajmp loop next2:mov a,r0rl arl arl arl aadd a,r1outend3. 根據(jù)指令功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序如下圖所示，輸入一條MOV R?,#II指令。按照下表1及上述輸入指令方式，把實(shí)現(xiàn)原

16、碼一位乘的所有指令輸入。表一助記符注釋MOV R?,#II將立即數(shù)II送入寄存器R中MOV A,R?將寄存器R中的值送到累加器A中JIAN A,#II累加器A的值減去立即數(shù)IIMOV R?,A將累加器A的值送到寄存器R中JZ MM若零標(biāo)志位置1，跳轉(zhuǎn)到MM地址YU A,#II累加器A“與”立即數(shù)IIJIA A,R?將寄存器R?的值加入累加器A中RR A累加器A左移JIA A,#II將立即數(shù)II加入累加器A中JMP MM跳轉(zhuǎn)到MM地址RL A累加器A左移OUT將累加器A中的數(shù)據(jù)輸出到輸出端口5. 根據(jù)指令功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的微程序每條指令在狀態(tài)為T0時(shí)微程序都為CBFFFF，所以下面只說明一次結(jié)果。a

17、.MOV R?,#II指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镃7FBFF，顯示如下： 圖1該微程序在24位控制位顯示如下：圖2MOV R?,#II指令中狀態(tài)T0時(shí)微程序?yàn)镃BFFFF，顯示如下： 圖3該微程序在24位控制位顯示如下：圖4b.MOV A,R?指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FF7F7，顯示如下：圖5該微程序在24位控制位顯示如下：圖6c.JIAN A,#II指令中狀態(tài)T2時(shí)微程序?yàn)镃7FFEF，顯示如下：圖7該微程序在24位控制位顯示如下：圖8d. MOV R?,A指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFB9F，顯示如下：圖9該微程序在24位控制位顯示如下：圖10e. JZ MM指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镃6F

18、FFF，顯示如下：圖11該微程序在24位控制位顯示如下：圖12f.YU A,#II指令中狀態(tài)T2時(shí)微程序?yàn)镃7FFEF，顯示如下：圖13該微程序在24位控制位顯示如下：圖14YU A,#II指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFE93，顯示如下：圖15該微程序在24位控制位顯示如下：圖16e. JIA A,R? 指令中狀態(tài)T2時(shí)微程序?yàn)镕FF7EF，顯示如下：圖17該微程序在24位控制位顯示如下：圖18JIA A,R? 指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFE90，顯示如下：圖19該微程序在24位控制位顯示如下：圖20g.RR A指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFCB7，顯示如下：圖21該微程序在24位控制位顯示

19、如下：圖22h. JIA A,#II指令中狀態(tài)T2時(shí)微程序?yàn)镃7FFEF，在結(jié)構(gòu)圖中顯示如下：圖24該微程序在24位控制位顯示如下：圖24JIA A,#II指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFE90，顯示如下：圖25該微程序在24位控制位顯示如下：圖26i.JMP MM指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镃6FFFF，顯示如下：圖27該微程序在24位控制位顯示如下：圖28j. RL A指令中狀態(tài)T1時(shí)微程序?yàn)镕FFCD7，顯示如下：圖29該微程序在24位控制位顯示如下：圖30k. OUT指令中狀態(tài)T2時(shí)微程序?yàn)镕FDF9F，顯示如下：圖31該微程序在24位控制位顯示如下：圖324. 保存文件。a.打開COP20

20、00計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)系統(tǒng)b.打開文件菜單c.單擊保存文件，起個(gè)后綴名為cheng.asm.第4章 測試程序與結(jié)果4.1 測試程序a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將上述七條指令設(shè)計(jì)完成后，在COP2000的ASM窗口中寫入以下幾行源程序：MOV A,#55HMOV R0,#22HMOV R0,AADDC A,R0SUB A,R0CPL AJMP 0然后分別保存指令和文件，發(fā)現(xiàn)程序代碼顏色會發(fā)生改變，點(diǎn)擊復(fù)位按鈕后進(jìn)行單微指令的測試。MOVV A,#55H測試結(jié)果如圖：說明立即數(shù)55已經(jīng)寫入累加器A中。MOVV R0,#22H測試結(jié)果如圖：說明立即數(shù)22已經(jīng)寫入寄存器R0中。MOVV R0,A測試

21、結(jié)果如圖：說明累加器中A的直55已經(jīng)寫入以R0為地址的內(nèi)存單元中。ADDC A,R0測試結(jié)果如下：先將R0中的22傳送的W中。將A與W通過ALU相加，并把結(jié)果通過直通門返回到累加器A中。SUB A,R0測試結(jié)果如下：先將R0的地址讀出并送入地址寄存器MAR中。MAR將地址輸出到ABUS，EM讀出該地址的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)55傳送到W中。A與W通過ALU相減，得到的結(jié)果通過直通門返回到累加器A中。CPLL A測試結(jié)果如下：將累加器A中的22進(jìn)行取反操作，結(jié)果為DD返回到A。JMPP 0測試結(jié)果如下：PC將地址輸出到ABUS，EM將值為0打入回PC，說明下條指令從0地址開始運(yùn)行。b) 定點(diǎn)原碼一位乘的

22、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 執(zhí)行單微指令，乘數(shù)為08H，被乘數(shù)為08H。原碼一位乘結(jié)果為40H,結(jié)果如下圖33所示： 出現(xiàn)如上圖所示錯(cuò)誤：因?yàn)樵趗M微程序中，_FATCH_助記符這行微程序應(yīng)為CBFFFF,不是FFFFFF,改正后，正確。4.2 結(jié)果a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)說明立即數(shù)66已經(jīng)寫入累加器A中。2）MOV R0,#33H測試結(jié)果如圖：說明立即數(shù)33已經(jīng)寫入寄存器R0中。3）MOV R0,A測試結(jié)果如圖：說明累加器中A的直66已經(jīng)寫入以R0為地址的內(nèi)存單元中。先將R0中的33傳送的W中。將A與W通過ALU相加的到99，并把結(jié)果通過直通門返回到累加器A中。先將R0的地址讀出并送入地址寄存器MAR

23、中。MAR將地址輸出到ABUS，EM讀出該地址的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)66傳送到W中。A與W通過ALU相減得33，得到的結(jié)果通過直通門返回到累加器A中。6）CPL A 累加器尋址，求反結(jié)果如下：7）JMPP 0測試結(jié)果如下：PC將地址輸出到ABUS，EM將值為0打入回PC，說明下條指令從0地址開始運(yùn)行。b) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 執(zhí)行單微指令，乘數(shù)為08H，被乘數(shù)為08H。原碼一位乘結(jié)果為40H,結(jié)果如下圖33所示： 出現(xiàn)如上圖所示錯(cuò)誤：因?yàn)樵趗M微程序中，_FATCH_助記符這行微程序應(yīng)為CBFFFF,不是FFFFFF,改正后，正確。4.3 出現(xiàn)的問題及解決辦法a) 微程序控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（

24、1） 程序在運(yùn)行完中間某個(gè)指令后自動中斷操作。解決方法：忘記在該指令的最后一個(gè)周期設(shè)計(jì)取指令操作，加上該微指令即可。（2） 在進(jìn)行MOVV R?,A的操作時(shí)，無法將A的值寫入內(nèi)存。解決方法：控制信號中的EM_WR沒有置為低電平，將該信號設(shè)為有效位即可寫入。（3） 跳轉(zhuǎn)操作在第一次可順利完成，但在第二次會出現(xiàn)錯(cuò)誤。解決方法：控制信號EM_RD應(yīng)設(shè)為有效位，即允許讀內(nèi)存的信息。b) 定點(diǎn)原碼一位乘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在原碼一位乘中,無法進(jìn)行循環(huán)，只跳轉(zhuǎn)一次，就直接在OUT中輸出結(jié)果了。后來發(fā)現(xiàn)是代碼中有錯(cuò)誤，雖指定了jz next1該條指令，但沒有將循環(huán)次數(shù)賦給一個(gè)寄存器，導(dǎo)致不能循環(huán)一次就減一次，直到循環(huán)次數(shù)為0就判斷循環(huán)結(jié)束，在OUT中輸出結(jié)果，加上mov r3,#05