计算机组成原理课程设计乘除法运算Word格式.docx

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将累加器A的值输出到输出端口寄存器OUT

寄存器寻址

参与运算的数据在R0~R3的寄存器中

ADDA,R0

将寄存器R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中

寄存器间接寻址

参与运算的数据在存储器EM中，数据的地址在寄存器R0-R3中

MOVA,@R1

将寄存器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

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

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。

ELP

PC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?

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。

X2

X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。

X1

X0

WEN

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。

S2

S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。

S1

S0

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。

X2X1X0

输出寄存器

000

IN_OE外部输入门

001

IA_OE中断向量

010

ST_OE堆栈寄存器

011

PC_OEPC寄存器

100

D_OE直通门

101

R_OE右移门

110

L_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

A+W加

A-W减

A|W或

A&

W与

A+W+C带进位加

A-W-C带进位减

~AA取反

A输出A

2.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：

②硬件原理框图：

（2）无符号除法

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）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

计算时用来存放过程积和结果积

寄存器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。

寄存器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寄存器。

寄存器W

（加法）、CHECKR?

#II（检测乘数最后一位是否为1）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。

输出寄存器OUT

将运算结果（R0）输出到输出寄存器OUT。

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。

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

①初始化时，用来存放除数

②在程序执行过程中，用来存放向右移位后的过程除数

初始化时，用来存放被除数；

在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。

寄存器R3

初始化时，用来保存除数，运算过程中其值也不改变。

①计算时用来存放中间结果；

②执行CMPR?

A（比较）SUBA,R?

（减法）等命令时所必须使用的寄存器。

执行SUBA,R?

（减法）等双操作数命令时所必须使用的寄存器。

将运算结果输出到输出寄存器OUT（R2：

商，R1：

余数）。

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

_FATCH_

000000XX00-03

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

M0VR?

#II

000001XX04-07

II

将立即数II送到寄存器R?

中

MOVA,,R?

000010XX08-0B

将寄存器R?

的值送到累加器A中

ADDR?

A

000011XX0C-0F

的值加入累加器A中

000100XX10-13

将立即数II加入寄存器R?

SUBR?

000101XX14-17

从累加器A中减去寄存器R?

的值

CHECKR?

000110XX18-1B

JMPMM

000111XX1C-1F

MM

ZF=1，跳转

JCMM

001000XX20-23

CF=1，跳转

JZMM

001001XX24-27

无条件跳转

未使用

001010XX28-2B

SHLR?

001011XX2C-2F

左移

SHRR?

001100XX30-33

右移

CMPR?

001101XX34-37

比较

OUTR?

001110XX38-3B

输出

（2）新的微指令集

状态

微地址

微程序

数据输出

数据打入

地址输出

运算器

移位控制

μPC

PC

T0

00

CBFFFF

浮空

指令寄存器IR

PC输出

A输出

写入

+1

01

FFFFFF

02

03

MOVR?

T1

04

C7FBFF

存储器值EM

寄存器R?

05

06

07

MOVA,R?

08

FFF7F7

寄存器值R?

09

0A

0B

ADDR?

T2

0C

FFF7EF

0D

FFFA98

ALU直通

标志位C,Z

加运算

0E

0F

T3

10

寄存器A

11

C7FFEF

12

13

SUBR?

14

FFFF8F

15

16

FFFA99

减运算

17

CHECKR?

18

19

1A

FFFE93

寄存器A标志位C,Z

与运算

1B

JMPMM

1C

C6FFFF

寄存器PC

1D

1E

1F

JCMM

20

21

22

23

24

25

26

28

29

2A

2B

SHLR?

2C

2D

FFF9DF

ALU左移

2E

2F

SHRR?

30

31

FFF9BF

ALU右移

32

CMPR?

34

35

36

FFFE99

37

38

FFD7FF

用户OUT

39

FFD7F7

寄存器A用户OUT

3A

3B

5．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：

乘法算法流程图

汇编语言程序

MOVR0,#00H;

中间积

MOVR1,#9;

被乘数

MOVR2,#6;

乘数

LAB:

CHECKR2,#0FH

JZLAST

CHECKR2,#01H

JZNEXT

MOVA,R1

ADDR0,A

NEXT:

SHLR1

SHRR2

JMPLAB

LAST:

OUTR0

LAST1：

JMPLAST1

（2）除法

4位除法的算法流程图与汇编语言程序清单：

除法算法流程图：

MOVR0,#8;

过程除数

MOVR1,#33;

初始化被除数

MOVR2,#0;

初始化商

MOVR3,#8；

R3用于保存除数，值不改变

CHECKR0,#0FH

LOOP:

CHECKR0,#80H

JZLOOP1

JMPBEGIN

LOOP1:

SHLR0

JMPLOOP

BEGIN:

MOVA,R3

CMPR0,A

JCLAST

MOVA,R0

CMPR1,A

JCONE

SUBR1,A

SHLR2

ADDR2,#1

SHRR0

JMPBEGIN

ONE:

SHLR2

LAST:

OUTR2

LAST1:

6．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

无符号乘法

汇编指令

程序地址

机器码

PC

运行时寄存器或存储器的值

MOVR0，#0

0400

初始化过程积

R0=00H

MOVR1，#9

0509

初始化被乘数

R1=09H

MOVR2，#6

0606

初始化乘数

R2=06H

LAB:

CHECKR2，#0FH

1A0F

检测乘数是否为0（将0FH送至寄存器W,将R2送至寄存器A中，进行与运算，结果由D送至A中。

）

W=0FH

A=06H

JZLAST

2414

乘数为0（ZF=1），则跳转到LAST

CHECKR2，#01H

1A01

检测乘数最后一位是否为1（将01H送至寄存器W,将R2送至寄存器A中，进行与运算，结果由D送至A中。

W=01H

JZNEXT

2410

乘数最后一位为0（ZF=1），则跳转到NEXT

NEXT:

SHLR1

被乘数左移一位（将R1值送至寄存器A中，左移将L中的值送回R