K清风COP微指令微程序.docx

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K清风COP微指令微程序

COP2000微指令微程序

课程设计报告

姓名：

苏怡舟

班级：

B13082051

课程设计目的··································3

课程设计的任务································3

课程设计使用的设备····························3

课程设计的具体内容

微程序控制器原理····························3

微指令代码以及流程图························6

运行情况····································7

总结体会······································8

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根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；之后编写实现乘法的程序进行设计的验证。

三、课程设计使用的设备

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

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

〔1〕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、工作存放器W、左移门L、直通门D、右移门R、存放器组R0-R3、程序计数器PC、地址存放器MAR、堆栈存放器ST、中断向量存放器IA、输入端口IN、输出端口存放器OUT、程序存储器EM、指令存放器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。

微程序控制局部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存放器，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位控制位以控制存放器的输入、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

模型机的寻址方式

寻址方式说明

指令举例

指令说明

累加器寻址

操作数为累加器A

CPLA

将累加器A的值取反

隐含寻址累加器A

OUT

将累加器A的值输出到输出端口存放器OUT

存放器寻址

参与运算的数据在R0~R3的存放器中

ADDA,R0

将存放器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中

存放器间接寻址

参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在存放器R0-R3中

MOVA,@R1

将存放器R1的值作为地址，把存储器EM中该地址的内容送入累加器A中

存储器直接寻址

参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址为指令的操作数。

ANDA,40H

将存储器EM中40H单元的数据与累加器A的值作逻辑与运算，结果存入累加器A

立即数寻址

参与运算的数据为指令的操作数。

SUBA,#10H

从累加器A中减去立即数10H，结果存入累加器A

〔2〕该模型机微指令系统的特点：

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位控制位以控制存放器的输入、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，而微程序的地址那么由指令码指定。

2．用设计完成的新指令集编写实现无符号二进制乘法功能的汇编语言程序

1〕设计原理：

两个8位无符号数相乘，所乘结果是16位，采用原码一位乘，在计算时，用乘数存放器的最低位来控制局部积是否与被乘数相加，然后右移局部积和乘数，同时乘数存放器接收局部积右移出来的一位，完成运算后，局部积存放器保存乘积的高位局部，乘数存放器中保存乘积的低位局部。

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：

硬件名称

实现算法功能描述

存放器R0

计算时用来存放局部积和最后的积

存放器R1

①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。

存放器R2

①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ADDA,R?

〔加法〕、SHLR?

〔左移一位〕、SHRR?

〔右移一位〕等命令时所必须使用的存放器。

存放器W

执行ADDA,R?

〔加法〕、TESTR?

#II〔测试R2的末位〕等双操作数命令时所必须使用的存放器。

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。

输出存放器OUT

可以将运算结果输出到输出存放器OUT〔本实验未用〕。

堆栈ST

当存储于累加器A的值将要受到破坏时，将其数据保存在堆栈ST中，使程序能够正常地执行。

流程图：

开始

乘数最低位为1？

Y

N

局部积与被乘数相加

局部积不变

局部积最低位为1？

N

Y

局部积右移

乘数右移并加10000000

局部积右移

乘数右移

将局部积右移八次加上乘数存放器里的数，得到乘积结果

循环结束？

N

Y

结束

输入局部积、乘数和被乘数

结果输出

代码局部：

MOVR0,#00H;局部积

MOVR1,#02H;乘数

MOVR2,#03H;被乘数

MOVR3,#08H;移位次数

LOOP:

MOVA,R1

ANDA,#01H;判断R1最低位是否为1

JZNEXT;是，继续执行

MOVA,R0

ADDA,R2;R0和R2相加

MOVR0,A;结果赋给R0

ANDA,#01H;判断R0最低位是否为1

JZNEXT1;R0末尾为1的时候

MOVA,R0

RRA;R0右移

MOVR0,A

MOVA,R1

RRA;R1右移

ORA,#80H;结果和80H或

MOVR1,A;结果给R1

JMPNEXT2

NEXT1:

MOVA,R0

RRA;R0右移

MOVR0,A

MOVA,R1

RRA;R1右移

MOVR1,A

JMPNEXT2

NEXT:

;R1末尾是0时

MOVA,R0

ANDA,#01H;R0最低位是否为1

JZNEXT1

MOVA,R0

RRA;R0右移

MOVR0,A

MOVA,R1

RRA;R1右移

ORA,#80H;R1和80H或

MOVR1,A;结果给R1

JMPNEXT2

NEXT2:

MOVA,R3

SUBA,#01H;R3－01H

ORA,#00H;结果和00H取或

JZNEXT3;假设移位结束跳至NEXT3

MOVR3,A

JMPLOOP

NEXT3:

JMPNEXT3

3．上述程序的运行情况

这局部为测试局部，我们分别输入三组数据来进行验证。

X为被乘数，Y为乘数。

（1）[X]=32H[Y]=95H

X*Y=1D1A局部积高位R0（1D），低位R1（1A）

（2）[X]=01H[Y]=02H

X*Y=02H局部积高位R0（00），低位R1（02）

（3）[X]=02H[Y]=05H

X*Y=000A局部积高位R0（00），低位R1（0A）

测试结果都正确，存放器R0与存放器R1中所表示的数据转换化为十进制的结果都符合，说明程序验证正确。

结果图：

五、本次课程设计的总结体会

经过了将近一周的时间，我终于在查阅书籍，资料之后完成了计算机组成原理的课程设计内容。

在设计的过程中，稳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。

在课设的后期，我几乎是一边复习计组的指令系统方面的内容，一边进行课设，在整个过程中，我觉得思维明敏度、动手能力得到提高，并且在枯燥的复习中找到了将理论转为实践的动力。

在整个设计过程中，首先拿到题时我当时还在想是否能做完，可是在查阅一些资料后，我开始尝试去做的时候，我发现其实题目并不难。

同样在整个设计过程中，我也体会到模型机的特点以及微指令设计一些细节方面的注意要求。

当然，在算法设计的时候，对于乘法的运算方式，以及汇编语言的设计思想，这都让我体会到该课设的宽领域。

总的来说，这次课设给了我很大的改变，对模型机有了更深入的了解。

我认为课设对于我们是很有必要的，因为它确实让我获得了很多课本上没有得知识。