东北大学计算机组成原理课程设计

计算机组成原理课程设计报告班级：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，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。

②模型机的寻址方式表1 模型机的寻址方式COP2000模型机指令的最低两位(IR0和IR1)用来寻址R0~R3四个寄存器；IR2和IR3与ELP微控制信号，Cy和Z两个程序状态信号配合，控制PC的置数即程序的转移。

各种转移的条件判断逻辑如下所示：PC 置数逻辑当ELP=1时，不允许PC被预置当ELP=0时当IR3=1时，无论Cy和Z什么状态，PC被预置当IR3=0时若IR2=0，则当Cy=1时PC被预置若IR2=1，则当Z=1时PC被预置本模型机时序控制采用不定长机器周期的同步控制方式，一条指令最多分四个节拍。

系统提供的默认指令系统包括以下7类指令：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总体概述微命令是用直接表示法表示的，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。

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）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。

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。

2. 计算机中实现乘法和除法的原理（1图1 无符号乘法流程图 ③ 硬件原理框图：图2 硬件原理框图（2）无符号除法开始初始化被除数及除数初始化计数器及商做减法余数为负？商0计算结束？商1计算结束？做加法计算余数输出结果结束YNYYNN3．对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件（初步分配，设计完成后再将准确的使用情况填写在此处）（1）无符号乘法表3 无符号乘法的硬件分配情况硬件名称实现算法功能描述寄存器R0计算时用来存放部分积和最后的积寄存器R11.初始化时，用来存放被乘数；2.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R21.初始化时，用来存放乘数；2.在程序执行的过程中，用来存放向右移位后的乘数。

累加器A 执行ADD A,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 执行ADD A,R?（加法）、TEST R?,#II（测试R2的末位）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 1.控制程序按顺序正常执行；2.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。

3.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μPC向微程序存储器μM提供相应微指令的地址。

微程序存储器μM存储相应指令的微指令。

（2表4 无符号除法的硬件分配情况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）（2）新的微指令集PC（1）乘法MOV R1,#03hMOV R2,#05HLOOP:TEST R2,#0FHJZ LASTTEST R2,#01HJZ NEXTMOV A,R1ADD R0,ANEXT:SHL R1SHR R2JMP LOOPLAST:OVER（24MOV R0,#28H ;被除数MOV R1,#05h ;除数MOV R2,#00H ;商MOV R3,#00HMOVE:ADD R3,#01HSHL R1TEST R1,#80HJZ MOVEADD R3,#01HSTART:TEST R3,#0FHJZ LASTMOV A,R1SUB R0,ATEST R0,#80HJZ NEXTADD R2,#00HSUB R3,#01HJZ LASTSHL R2MOV A,R1ADD R0,ASHR R1JMP STARTNEXT:ADD R2,#01HSUB R3,#01HJZ LASTSHL R2SHR R1JMP STARTLAST:OVER6．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。

程序运行的过程乘法运行情况PCPC7．设计结果说明调试运行程序时是否出现问题，是否有重新调整指令/微指令系统设计的情况出现？请在此做具体说明。

在这次课程设计的过程中，只是把系统已有的指令稍微的改变了一下，又分析了一下自己的需求，重新设计出一套完成乘除法的微指令系统。

但是，因为在设计的过程中，忽视了COP2000的一些局限性，导致产生了一些问题。

但是我和同学讨论后就找出这些错误，并改正之。

下面，我对这些问题作具体说明：起初想设计一条让两个寄存器直接运算的指令，感觉这样的指令应该能实现。

但是当我在写指令对应的微程序的微指令时，发现这条指令在这个模型机里根本不可能实现。

因为COP2000中用指令的机器码的最后两位来指定使用寄存器组的相应寄存器，所以，在指令中不可能同时出现两个操作数都是寄存器R?。

最后只能借助与A累加寄存器，让他作为中间桥梁来实现。

在乘除法的汇编程序设计过程中，发现可以多加一些指令来代替一些复杂指令。

用TEST R2，#0FH可以判断乘数是否为0，为零则程序结束，积为0。

在除法程序中用TEST R0，#80H判断余数是否为负，用TEST R1,#80H判断除数应该移几位，R3用来计数做几次除法，R1移几位，R3就为移位次数加1。

R3为1时求的商不再移位，R3为零时程序结束。

原来系统指令中只能在A中移位，新设计的微指令中，借助累加器A为中间桥梁，实现了寄存器里的值直接移位的指令（SHL R？SHR R？），使汇编代码精简了不少。

五、本次课程设计的总结体会（不少于200字）主要总结学到的具体知识、方法及设计中的切身体会；包括列出在设计的各个阶段出现的问题及解决方法。

对于这次的课程设计，虽然设计的要求和设计的目的都独立完成了，但是觉得自己做的还是不够严谨。

通过这次计算机组成原理的课程设计，我对于模型及内部元件的工作原理以及微命令，微程序，指令间的层次递进关系有了更进一步的认识，在未弄清前花费了许多时间在找错误上。

许多在课堂上没有听懂或者是有模糊不清的部分通过课程设计的真正实践已经得到了弥补。

但是最基本的cop2000试验箱我没有完完全全的摸透，虽然仿真和上机调试也做了很多次，但是具体每个模块的作用是什么并不全都明晰，对于连上实验箱和不连上实验箱有不同结果，这一点始终没太弄清，这也是自己的不足之处。

一开始的时候，对于机器指令及微指令的设计放大不是很了解，对于计算机各部分的组成以及工作原理也知之甚少。

经仔细研读课本和资料的相关部分后终于掌握了相关方法。

当然，在课程设计进行的过程中也遇到了各种各样的问题，不过经过学习这些问题都得到了很好的解决，在这期间，自身能力和相关知识都可能得到提高，这大大锻炼了我的自学能力。

通过这次课程设计，巩固了有关指令系统设计以及微程序设计的相关知识，更加深刻的认识到了不同的模型机硬件对于设计的限制值得具体是什么，也就是为什么总要说指令系统的设计是相对某一模型机而言，也让我对于计算机组成原理这门课的学习更有信心。

同时也使我了解了自身的不足，知识掌握的漏洞所在。

为我之后的学习提供了可靠的方向。

我感觉此次课程设计还有点小的遗憾，就是本次只是设计一些微程序，没有涉及到跳转微指令地址的设计。

刚开始以为还要设计硬件电路，后来读了COP2000模型机的特点之后，顿时感觉好像没有那么难。

另外，如果能给同学们安排一个固定的场所就可以督促学生，有可能会做得更好。