东北大学计组课设

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，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（2）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。

乘数右移被乘数左移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）无符号乘法在模型机上实现无符号数乘法运算时，采用“加法—移位”的重复运算方法。

○1硬件原理框图：○2算法流程图：（2）无符号除法在模型机上实现无符号数除法运算时，采用“加减交替算法”的运算方法。

○1②硬件原理框图：3．对应于以上算法如何分配使用COP2000实验仪中的硬件 （1）无符号乘法符号乘法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如下表所示： 表3 无符号乘法的硬件分配情况除数右移初始化：除数左移（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下表所示：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（1）新的指令集（乘除法指令集）（2）新的微指令集（乘除法微指令集）5．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位乘法的算法流程图与汇编语言程序清单：MOV R0,#00H ；初始化部分积MOV R1,#09H ；初始化被乘数MOV R2,#06H ；初始化乘数LOOP : TEST R2,#0FH ；测试乘数是否为0JZ LAST ；是0跳转，程序结束TEST R2,#01H ；测试乘数末位时候为0JZ NEXT ；是0跳转，不用加被乘数MOV A,R1 ；被乘数送累加器ADD R0,A ；被乘数加到部分积NEXT : SHL R1 ；被乘数左移一位SHR R2 ；乘数右移一位JMP LOOP ；跳转到下一次测试LAST : OVER ；程序结束乘法的算法流程图:（2）除法4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：MOV R0, #31H ；初始化被除数MOV R1, #07H ；初始化除数MOV R2, #00H ；初始化商MOV R3, #05H ；初始化计数器TEST R1,#0FH ；测试除数是否为0JZ OVERFLOW ；除数是0，转到溢出处理MOV A,R1 ；除数送累加器PUSH A ；保存除数SHL R1 ；除数左移四位SHL R1SHL R1SHL R1MOV A,R1 ；移位后除数送累加器SUB R0,A ；被除数减去移位后除数JC ZERO ；有进位跳到ZERO，上0处理JMP OVERFLOW ；首次没借位会得出5位商，溢出处理ZERO:SHL R2 ；商左移一位SHR R1 ；除数右移一位SUB R3,#01H ；计数器减1JZ FINISH ；计数器为0，跳转到FINISHMOV A,R1 ；被除数减去移位后除数ADD R0,A ；被除数加上移位后除数JC ONE ；有借位跳到ONE，上1处理JMP ZERO ；没借位跳到ZERO，上0处理ONE:SHL R2 ；商左移一位ADD R2,#01H ；商加1SHR R1 ；除数右移一位SUB R3,#01H ；计数器减1JZ FINISH ；计数器为0，跳转到FINISHMOV A,R1 ；移位后除数送累加器SUB R0,A ；被除数减去移位后除数JC ZERO ；有借位跳到ZERO，上0处理JMP ONE ；没借位跳到ONE，上1处理OVERFLOW:MOV R2,#0FFH ；溢出，商置为全1JMP JIESHU ；无条件跳转到程序结束FINISH:TEST R0,#80H ；测试余数是否为负JZ JIESHU ；为正不用处理POP A ；恢复除数ADD R0,A ；余数加上除数JMP JIESHU ；跳转到程序结束JIESHU:OVERCYCLE:JMP CYCLE6．上述程序的运行情况（跟踪结果）○1②除法程序运行过程表8 无符号除法程序的运行过程7．设计结果说明在课程设计的过程中，我重新调整了指令/微指令系统的设计，但是，因为我在设计的过程中，忽视了该模型机的一些局限性，以及对一些指令/微指令的理解，导致产生了一些问题。

在实验刚开始的时候，没有了解到我们实验机子本身JZ，JC，JMP的指令机器码有限制，所以在设计微指令时没关注汇编语句的顺序，导致实验中JZ，JC，JMP指令时好时坏，后来了解到机器码的第四，第三位分别为00，01，10时JC，JZ，JMP就运行成立。

在无符号整数除法设计中，最后的余数要是为负，则要再加上原来的除数来恢复余数，进而得到真正的余数。

在程序开始的时候先用“PUSH A”指令把除数压入堆栈寄存器ST 中，在程序得出商的时候，用“POP A”指令将除数弹出到A中，在进行除数处理就解决了余数不对的问题。

在设计开始时乘法的算法设计为一个初始值为4的计数器，每次加法操作后减1直至计数器为零结束，后来考虑到当乘数的操作位为零时，没有必要进行加零操作，于是设计了跳转指令及程序，由此想到乘数开始可能是零，所以又添加了在开始判断乘数是否为零的操作。

8、本次课程设计的总结体会（不少于200字）在此次的课程设计过程中，本人到图书馆里阅读了许多关于计算机组成原理课程设计的书籍，在阅读的过程收获了许多有关于课程设计的知识，在设计的过程中，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，同时，也增长了新的知识。

而且，我在反复思考的过程中，提高了独立设计思维的灵敏度，以及增强了找出及解决问题的方法和能力。

通过这次课程设计，既锻炼了我的动手能力，又锻炼了我的动脑能力，使我理论联系实际，使所学的知识不再枯燥无味，并通过运用本课程知识来设计自己的指令系统，激发了我对《计算机组成原理》这门课程的兴趣，同时，激发了我对计算机硬件系统探究的兴趣。

在进行本次的课程设计时，首先要有自己的算法流程图和设计思路，及计划好我们的思路过程，如果设计流程颠倒，或者说根本没有自己的设计思路，那么，虽然花了大量的时间，也设计不出想要的结果，甚至有可能根本设计不出来。

另外，在设计的每一步过程中，我们都要做到严谨细致，并且耐心认真的琢磨，才可以让程序减少错误，否则很可能会导致连环性的错误。

经过本次的课程设计，自己在实践的过程中发现自己很多的知识不扎实的情况，发现了自己的不足之处收获很多，完成课设后，自己深刻的了解了乘除法的程序，并且对计算机内部的原理得到更加深刻的理解，在此，我也衷心感谢学校和老师给我们安排了这次课程设计。

谢谢老师在验收的过程中给予我们的帮助，我们会更加努力，不断做出更好的成绩。