计算机组成原理乘法器和除法器课程设计

哈尔滨理工大学课程设计（计算机组成原理）题目：简单模型机指令系统的设计班级：姓名：指导教师：系主任：2017年03月10日计算机组成原理（课程设计）设计过程情况表目录1.课程设计的目的 (1)2.课程设计的任务 (1)3.课程设计所用设备及所需资料 (1)4.设计内容 (1)4.1设计原理 (1)4.1.1总体概述 (1)4.1.2模型机的寻址方式 (2)4.1.3模型机微指令系统的特点 (2)4.2设计过程与步骤................................................................. 错误！未定义书签。

4.2.1. 模拟乘法除法的原理 (4)4.2.2．对应算法分配硬件 (8)4.2.3设计全新的指/微指令系统 (10)4.3设计结果及分析 (12)4.3.1汇编语言程序 (12)4.3.2程序执行跟踪 (13)5心得体会 (16)1.课程设计的目的1.在实验机上设计机器指令及对应的微指令(微程序)，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。

2.课程设计的任务针对COP2000实验仪，首先通过综合实验了解该模型机微程序控制器原理(主要指熟悉该模型机指令/微指令系统的详细情况)，然后以实现二进制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；并编写并运行实现乘法和除法的程序进行设计的验证。

3.课程设计所用设备及所需资料1. COP2000实验系统2. PC机( COP2000仿真软件)3. COP2000计算机组成原理实验仪说明书4.设计内容4.1设计原理4.1.1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。

结构图如图1所示模型机为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。

图1 仿真结构图模型机的指令码为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。

4.1.2模型机的寻址方式模型机的寻址方式分五种，具体说明如表1所示。

4.1.3模型机微指令系统的特点1. 模型机微指令系统格式模型机有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）表1 模型机的寻址方式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，如表3所示。

表2 微指令控制信号的功能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 ，如表4所示。

表3.寄存器微指令 表4.运算器微指令4.2.1. 模拟乘法除法的原理1. 无符号乘法：（1）实例演示（列乘法具体例子演算的算式）：乘数与被乘数假设为00010000（16）与00000110（6），结果应该为0101000（80）。

运算图示为表5所示。

表5 乘法演示（2）硬件原理框图：硬件原理实现及分配如图2所示。

图2乘法实现硬件原理图（3）算法流程图：算法流程实现及顺序如图3所示。

图3乘法实现流程图2. 无符号除法（1）实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）：假设被除数和除数为01010111（87）和1010（10）结果商为1000（8））运算图示为：表6 除法演示（2）硬件原理框图：硬件原理实现及分配如图4所示。

（3）算法流程图：算法流程实现及顺序如图5所示。

图5 乘法实现流程图4.2.2．对应算法分配硬件1. 无符号乘法符号乘法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如表7所示：表7 无符号乘法的硬件分配情况2.无符号除法无符号除法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如表8所示：表8 无符号除法的硬件分配情况4.2.3设计全新的指/微指令系统1. 设计新的指令集，如图6 所示图6 指令系统2.设计新的微指令集，如图7 所示图7-1 微指令系统图7-2 微指令系统图7-3 微指令系统4.3设计结果及分析4.3.1汇编语言程序1.无符号乘法汇编程序MOV R0,#00H 积初始化MOV R1,#10H 被乘数初始化MOV R2,#05H 乘数LOOP :AND R2,#0FFH 判断乘数是否为零JZ LAST 为零，则结束计算AND R2,#01H 判断乘数末尾是否为一JZ NEXT 为一跳转MOV A,R1ADD R0,A 部分积更新JC IFYC 溢出判断NEXT :SHL R1 被乘数左移SHR R2 乘数左移JMP LOOPIFYC :MOV R3,#11HOVER2. 无符号除法汇编程序MOV R0,#0AHMOV R1,#57HMOV R2,#00HMOV R3,#0AHSHL R0SHL R0SHL R0SHL R0BEGIN :MOV A,R3CMP R0,AJC LASTMOV A,R0CMP R1,AJC SMALLJMP NEXTNEXT :MOV A,R0SUB R1,ASHL R2ADD R2,#01HSHR R0MOV A,R3CMP R0,AJC LASTJMP BEGINSMALL:SHL R2SHR R0MOV A,R3CMP R0,AJC LAST4.3.2程序执行跟踪1. 乘法程序跟踪，如表9所示2.除法程序执行跟踪，如表10所示。

表10 除法程序跟踪5.心得体会经过了将近两周的时间，我终于完成了计算机组成原理的课程设计内容。

在这两周的实验课上，我和同学和老师积极交流，讨论，课下的时间里，自己查阅书籍，资料，不断在仿真实验仪上调试，修改。

在亲力亲为的动手实践中，我不但巩固了所学的计算机组成原理中有关指令系统、总线系统等等方面的知识，而且，也查补了当时疏漏未理解的方面，有了更高，更好的理解和体会。

在课设的前期，因为要求是选做除法，我当时心里十分的迟疑，觉得自己动手能力比较差，有些想直接放弃的念头，而且当时身边好多同学都放弃了除法，让我更加动摇。

对乘法的实现，我最开始是用系统的指令十分麻烦又简单的做出了小小的成果，很大的鼓舞了我，我不断地查阅资料编写新的指令，设法减少冗余的指令，设计出了自己的指令系统，并且运行成功。

于是，我决定做除法，我开始真正领会到学习真的是一个不断提高，不断进步的的过程，过程中你也许苦恼，也许无助，但是当你突破了这个挑战，翻过了这个山，山的那边就是更优秀的自己。

验收的前一天，做除法的时候，纸上的模拟调试了一下午，依旧通不过调试，这时候，我也不知道我的指令是有可修改的小错误，还是不可挽回的错误，我逐个语句排查，找到了无效的语句，但是我最后还是没能发现语句为什么没能正确的执行，我选择了用多条语句间接的替代了失效的语句，最后完成了除法指令集的设计调试。

这次课程设计后，我也发现了自己的疏忽和遗漏，在设计八位的乘法指令时，把积也用一个寄存器保存，还有除法指令的实现，除数限于四位的，这次课设给了我很大的动手实践，掌握深化的机会，对于计算机组成原理，对模型机有了更深入的了解。