计组课设-微指令的设计实验

计算机组成原理课程设计报告班级：计算机/物联网班姓名：学号：完成时间：2016.1.14一、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COP2000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：从指令字长来看该模型机指令系统包含单字长和双字长两种格式的指令，字长为8位，对于需要访问内存的指令都是双字长的，指令系统中大多数指令是单字长；从指令操作码是定长和变长来看，这里认为，虽然ADDA,R?和ADDA,@R?都是执行加法操作，但他们是不同的指令，将指令格式中寻址寄存器的两位也认为是操作码的一部分，这两条指令的操作码不同。因此，指令系统的指令格式是定长操作码的，操作码为6位。1)双字长的指令格式如下：举例：助记符机器码1机器码2ADDA,MM000110xxMMADDA,#II000111xxIIMOVA,MM011110xxMMOPR？AXRDEMWREMRDPCOEEMENIRENEINTELPMARENMAROEOUTENSTENRRDRWRCNFENX2X1X0WENAENS2S1S02)单字长的指令格式如下：举例：助记符机器码1机器码2ADDA,R?000100xxORA,R?011000xxMOVR?,A100000xx该模型机微指令系统的特点（包括其微指令格式的说明等）：该模型机微指令系统的微指令格式是水平型微指令，微指令的字长为24位，是机器字长的3倍，每条微指令仅包含微操作控制字段，无顺序控制字段。操作控制字段的每一位对应一个微操作，采用字段直接译码的方式对系统进行控制。微指令的具体格式如下：举例：微指令CBFFFF：取指令110010111111111111111111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寄存器IR和微指令计数器μPC。EINT中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。ELPPC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。MAREN将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。MAROE将地址寄存器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寄存器OUT里。STEN将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。RRD读寄存器组R0~R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写寄存器组R0~R3，寄存器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内部的标志寄存器。OPR？X2X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。X1X0WEN将数据总线DBUS的值打入工作寄存器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。X2X1X0输出寄存器000IN_OE外部输入门001IA_OE中断向量010ST_OE堆栈寄存器011PC_OEPC寄存器100D_OE直通门101R_OE右移门110L_OE左移门111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。运算数据由寄存器A及寄存器W给出,运算结果输出到直通门D。S2S1S0功能000A+W加001A-W减010A|W或011A&W与100A+W+C带进位加101A-W-C带进位减110~AA取反111A输出A2.计算机中实现乘法和除法的原理（1）无符号乘法①算法流程图：开始初始化（被）乘数=0NO（被）乘数0FHNO乘数带进位右移CF=1YES积加乘数被乘数不带进位左移计数器减1ZF=1YES保存结果YESYESNONO结束②硬件原理框图：AWSTR0R1R2ALU被乘数乘数计数值4CY左移右移（2）无符号除法①算法流程图：开始商清0除数左移4位除数为0NO被除数减除数CF=0NO除数右移1位商左移1位被除数减除数CF=0YES商加1移位次数为4YES保存结果结束YESYESNONO②硬件原理框图：AALUWR0R1STR2CY右移左移除数被除数商3．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）乘法程序的硬件分配：硬件名称在乘法算法中的功能R01用来存放被乘数2保存乘积结果R1用来存放乘数R2未使用R3用做计数器，来控制程序循环次数A1、存放中间结果2、用来存放操作数参加ALU的运算W用来存放操作数参加ALU的运算PC程序计数器EM内存（存放程序）IR指令寄存器ST堆栈寄存器，可以用来暂存寄存器A的值MAR地址寄存器2）除法程序的硬件分配硬件名称在除法运算中的功能R0用来存放被除数R1用来存放除数R2用来存放商R31用作计数器，控制循环的次数2保存余数A1、存放中间数据2、用来存放操作数参加ALU的运算W用来存放操作数参加ALU的运算PC程序计数器EM内存（存放程序）IR指令寄存器ST堆栈寄存器，可以用来暂存寄存器A的值MAR地址寄存器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）助记符机器码1机器码2指令说明_FATCH_000000XX实验机占用，不可修改。复位后，所有寄存器清0，首先执行_FATCH_指令取指MOVR?,#II000001XXII将立即数II送到寄存器R?中MOVR?,A000010XX将累加器A的值送到寄存器R？中MOVA,R?000011xx将寄存器R？的值送入累加器A中ANDA，#II000100xxII将立即数与累加器A中的数相与ANDR？，#II000101xxII将立即数与寄存器R?中的数相与SHRR？000110xx寄存器R？带进位右移SHLR？000111xx寄存器R？带进位左移JCMM001000xxMM若进位标志置1，跳转到MM地址JZMM001001xxMM若零标志置1，跳转到MM地址ADDR?，#II001010xxII将寄存器R？中的数与立即数相加ADDA,R？001011xx将累加器与寄存器R?相加，结果存入累加器SUBR？，#II001100xxII将寄存器R？中的值与立即数相减SUBA,R?001101xx将累加器与寄存器R？的值相减，结果存入累加器CMPA，R？001110xx累加器与寄存器R？的值比较，结果影响进位、零标志JMPMM001111xxMM无条件跳转到MM处PUSHA010000xx将累加器中的值暂存POPA010001xx将暂存结果送回到累加器A中SHRNR?010010xx寄存器R?不带进位右移SHLNR?010011xx寄存器R?不带进位左移TEST010100xx（2）新的微指令集助记符状微地微程序数据输数据打入地址运移位态址出输出算器控制uPCPC_FATCH_T000CBFFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+101FFFFFFA输出+102FFFFFFA输出+103FFFFFFA输出+1MOVR?,#IIT104C7FBFF存储器EM寄存器R？PC输出A输出+1+1T005CBFFFF指令寄存器PC输出A输出写入+106FFFFFFA输出+107FFFFFFA输出+1MOVR?，AT108FFFB9FALU直通寄存器R？A输出+1T009CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+10AA输出+10BA输出+1MOVA,R?T1OCFFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出T0ODCBFFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+10EFFFFFFA输出+10FFFFFFFA输出+1ANDA,#IIT210C&7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T111FFFE93ALU直通寄存器A标志位C、Z与运算+1T012CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+113FFFFFFA输出+1ANDR?,#IIT314C7FFEF存储器EM寄存器WPC输A输+1+1出出T215FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T116FFFA9BALU直通寄存器R？标志位C、Z与运算+1T017CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出+1+1SHRR?T318FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T219FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T11AFFFABFALU右移寄存器R？标志位C、ZA输出带进位右移+1T01BCBFF57堆栈寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SHLR?T31CFFEF9FAlU直通推展寄存器STA输出+1T21DFFF7F7寄存器值R?寄存器AA输出+1T11EFFFADFALU左移寄存器R？标志位C、ZA输出带进位左移+1T01FCBFF57堆栈寄存器ST寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出写入+1JCMMT120C6FFFF存储器值EM寄存器PCPC输出A输出+1+1T021CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+122FFFFFFA输出+123FFFFFFA输出+1JZMMT124C6FFFF存储器值EM寄存器PCPC输出A输出+1+1T025CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+126FFFFFFA输出+127FFFFFFA输出+1ADDR?,#IIT328FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T229C7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T12AFFFA98ALU直通寄存器R？标志位C、Z加运算+1T02BCBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1ADDA,R?T22CFFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T12DFFFE90ALU直通寄存器R？标志位C、Z加运算+1T02ECBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+12FFFFFFFA输出+1SUBR?,#IIT330FFF7F7寄存器值R？寄存器AA输出+1T231C7FFEF存储器值EM寄存器WPC输出A输出+1+1T132FFFA99ALU直通寄存器R？标志位C、Z减运算+1T033CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+1SUBA,R?T234FFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T135FFFE91ALU直通寄存器A标志位C、Z减运算+1T036CBFFFF指令寄存器IRPC输出A输出写入+137FFFFFFA输出+1CMPA,R?T338FFF7EF寄存器值R？寄存器WA输出+1T239FFEF9FALU直通堆栈寄存器STA输出+1T13AFFFE91ALU直通寄存器A标志位C、Z减运算+1T03BCBFF57堆栈寄存器寄存器A指令寄存器IRPC输出A输出+1+1JMPMMT13