计算机组成原理课程设计实验报告Word文档格式.docx

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MOV1Rs,Rd

0001

（Rs）→Rd

MULRs,Rd

0111

（Rs）*（Rd）→Rd

①对Rs和Rd的规定：

Rs或Rd

选定的寄存器

00

R0

01

R1

10

R2

11

R3

②模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下：

7

6543210

符号位

尾数

、所有机器指令的微程序流程图

、汇编语言源程序

程序：

功能：

IN1R0从开关输入任意一个整数n→R0

MOVR1,1将立即数1→R1（R1用于存放参与运算的奇数）

MOVR2,0将立即数0→R2（R2用于存放累加和）

MOVR3,1将立即数1→R1（R1用于存放参与运算的奇数）L1:

CMPR0,R1将R0的整数n与R1的奇数进行比较，锁存CY/FC

和FZ/ZI

JBL2小于,则转到L2处执行

MOVR1,R3将R1寄存器的内容送给寄存器R3

MULR3,R3求平方

ADDR3,R2将平方送给R2

INCR1累加之后让R1的内容加1

JMPL1跳转到L1处继续执行

L2:

OUT1R2输出累加和

JMPL2循环显示

、机器语言源程序

助记符地址（十六进制）机器代码功能

IN1RO0010000000（SW）→R0

MOVR1,101100100011→R1

0200000001

MOVR2,003100100100→R2

0400000000

MOVR3,105100100111→R3

0600000001

L1:

CMPR0,R10710100001（R0）-（R1）

JBL20810110000L2→PC

0900010000

MOVR1,R30A00010111（R1）→R3

MULR3,R30B01111111（R3）*（R3）→R3

ADDR3,R20C11001110（R3）+（R2）→R2

INCR10D11010001（R1）+1→R1

JMPL10E11100000L1→PC

0F00000111

OUT1R21011111000（R2）→LED

JMPL21111100000L2→PC

1200010000

、机器语言源程序的功能仿真波形图及结果分析

注释：

1、R2：

存放累加和（本例中初始值R2=00，最后值R2=0E）

2、R1：

存放初始值，并进行自加运算。

（R1=01）

3、R3：

存放R1中的数据，并进行平方元算，最后将运算结果送给R2。

（R3=01）

4、R0：

用来存放任意值N。

（R0=03）

5、ID[7..0]：

外部输入，与R0的值相同（ID[7..0]=03）

6、OD[7..0]：

外部输出数据，只有最后才会输出数据，其值与R2的最后结果相同（最后结果OD[7..0]=0E）

7、IR：

指令寄存器，存放各指令（本例中：

00-80-91-92-93-A1依次执行的是INR0MOVR1,1MOVR2,0MOVR3,1CMPR0,R1这四条指令）

8、AR：

地址寄存器，存放各指令的地址（本例中：

00---IN指令的地址；

；

01-02----MOVR1,1指令的地址；

03-04----MOVR2,0指令的地址；

05-06----MOVR3,1指令的地址；

07-----CMP指令的地址）

NOTE：

IR、AR这两行的数据要对应机器语言源程序来看去理解

9、ntrom5|ADDR：

控制存储器，存放所有微指令和对应的微地址

本行的数据要根据指令流程图去理解；

本例中MOV指令的地址和后继微地址为：

02-00-09-03-00而02-00-0A-04-05-00是CMP指令的地址和后继微地址。

十、故障现象和故障分析

1、源程序中出现错误。

本例中若只用三个寄存器，去掉R3这个有转换作用的寄存器，那么直接用R1相乘的话就会使得R1的值不是加1递增，而是在平方的基础上自动加1，比如：

当R1=01时，经过平方，R1寄存器中的内容为1，加1后变为02，经过下一次循环，平方后变为04，在进行加1后就会变为05，明显少算了许多值。

2、在连线顶层电路的过程中出错。

有时因为不认真连错线就会在仿真的时候，出现不正常的警告，而香型的项则不会输出任何数据，就像OD[7..0]此行，初始的时候是不应该有输出的，但是若在连线的时候错连或不连就会导致，在刚开始的时候就会有数值的输出，误导结果分析。

3、指令流程图中出现错误。

指令流程图可以说是整个实验中比较关键的一项，它的指令流程和指令的地址和后继微地址，是至关重要的，如果指令微地址的分配不合理会导致指令执行的混乱，导致不能指向正常执行的指令，结果在方针是就不会有结果输出或者输出错误的结果。

4、微指令代码表的填写不正确。

微指令代码表中关键是那些控制信号的输入一定要填写正确，否则在应该读入数据的时候，系统没有放映；

在应该读出数据的时候，不能执行相应的功能。

下面列举一些比较重要的功能

（1）、2423222120191817161514131211109876543210

LOADLDPCLDARLDIRLDRiRD_BRS_BS1S0ALU_BLDACLDDRWRCSSW_BLED_BLDFRP1P2后继微地址

76543210

操作码

立即数或转移地址

（2）、

26252423222120191817161514131211109876543210

WRCSLOADLDPCLDARLDIRLDRiRD_BRS_BS1S0ALU_BLDACLDDRWR_OCS_ISW_BLED_BLDFRP1P2后继微地址

WR_O和LED_B一起控制输出，可以省去WR_O；

CS_I为ROM的片选信号。

（3）、

算术逻辑运算单元ALU的功能表

S1

S0

功能

（AC）+（DR）

1

（AC）-（DR）

（AC）+1

（AC）*（DR）

（4）、程序计数器PC的功能表

CLR

LOAD

LDPC

将PC清0

↑

BUS-->

PC

不装入，也不计数

PC+1

（5）、控制信号的功能（均为低电平有效）

ALU_B

R0_B

R1_B

R2_B

R3_B

功能

输出ALU的结果

输出（R0）

输出（R1）

输出（R2）

输出（R3）

（6）、主存储器（CS低电平有效）

CS

不选择

读

5、小细节方面：

在编写各器件源程序的时候要仔细，要和之前所做的指令流程、指令地址、微指令代码表以及自己所做实验中的各引脚的多少，应一一对应。

比如，本例中用到四个寄存器，就要在编写的时候改变一些原器件的引脚，如CROM、MCOMMAND的引脚要添加寄存器R3相关的引脚，R3_B等。

6、在仿真的时候：

要学会正确且熟练地输入各个初始值，要学会对应之前的成果来验证仿真的正确性，Q和CLR两个信号的控制要正确。

十一、软件清单，含各个部件的VHDL源程序（.vhd）或图像描述文件（.gdf）

、算术逻辑单元ALU

--ALU运算器单元源程序如下：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYALUIS

PORT（

A:

INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

B:

S1,S0:

INSTD_LOGIC;

BCDOUT:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

CY,ZI:

OUTSTD_LOGIC

）;

ENDALU;

ARCHITECTUREAOFALUIS

SIGNALAA,BB,TEMP:

STD_LOGIC_VECTOR（8DOWNTO0）;

BEGIN

PROCESS（S1,S0）

BEGIN

IF（S1='

0'

ANDS0='

）THEN--执行加法运算

AA<

='

&

A;

BB<

B;

TEMP<

=AA+BB;

BCDOUT<

=TEMP（7DOWNTO0）;

--输出

CY<

=TEMP（8）;

--进位

IF（TEMP="

100000000"

）THEN--即TEMP（8）=1,进位

ZI<

1'

;

--为0

ELSE

ZI<

--不为0

ENDIF;

ELSIF（S1='

）THEN--执行比较或减法操作

BCDOUT<

=A-B;

IF（A<

B）THEN--小于

CY<

--借位

ZI<

ELSIF（A=B）THEN--等于

--不借位

--等于0

ELSE--大于

--不借位

）THEN--执行加1操作

AA<

A;

TEMP<

=AA+1;

BCDOUT<

IF（TEMP="

）THEN

ELSE

ENDIF;

ANDS0='

）THEN--执行乘法运算

BB<

=AA*BB;

="

00000000"

ENDPROCESS;

ENDA;

、状态寄存器LS74单元

--状态条件寄存器单元源程序如下：

ENTITYLS74IS

LDFR:

FC,FZ:

ENDLS74;

ARCHITECTUREAOFLS74IS

PROCESS（LDFR）

IF（LDFR'

EVENTANDLDFR='

）THEN--时钟信号LDFR的上边沿有效

FC<

=CY;

--锁存进位\借位标志位

FZ<

=ZI;

--锁存零标志位

、--暂存器单元\通用寄存器\地址寄存器\指令寄存器单元LS273

ENTITYLS273IS

D:

CLK:

O:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）

ENDLS273;

ARCHITECTUREAOFLS273IS

PROCESS（CLK）

IF（CLK'

EVENTANDCLK='

）THEN--时钟信号CLK的上边沿有效

O<

=D;

--将输入的内容直接送给输出

、1:

2分配器单元FEN2

--1:

2分配器单元源程序如下：

ENTITYFEN2IS

WR,LED_B:

X:

W1,W2:

ENDFEN2;

ARCHITECTUREAOFFEN2IS

PROCESS（LED_B,WR）

IF（LED_B='

ANDWR='

W2<

=X;

--将数据送往输出设备

ELSE

W1<

--将数据会送到数据内部通路

、3选1数据选择器MUX3单元

--3选1数据选择器单元源程序如下：

ENTITYMUX3IS

ID:

SW_B,CS:

N1,N2:

EW:

ENDMUX3;

ARCHITECTUREAOFMUX3IS

PROCESS（SW_B,CS）

IF（SW_B='

EW<

=ID;

--从输入设备输入数据

ELSIF（CS='

=N2;

--将ROM中读出的指令代码送入内部数据通路

=N1;

--将4选1多路选择器的输出送入内部数据通路

、4选1数据选择器MUX4单元

--4选1数据选择器单元源程序如下：

ENTITYMUX4IS

C,D,E,F,G:

X1,X2,X3,X4,X5:

W:

）;

ENDMUX4;

ARCHITECTUREAOFMUX4IS

SIGNALSEL:

STD_LOGIC_VECTOR（4DOWNTO0）;

SEL<

=G&

F&

E&

D&

C;

PROCESS（SEL）

IF（SEL="

11110"

）THEN--输出R0的内容

W<

=X1;

ELSIF（SEL="

11101"

）THEN--输出R1的内容

=X2;

11011"

）THEN----输出R2的内容

=X3;

10111"

）THEN----输出ALU的运算结果

=X4;

01111"

）THEN--输出R3的内容

=X5;

NULL;

、程序计数器PC单元

--程序计数器单元源程序如下：

--访问只读存储器ROM的程序计数器

ENTITYPCIS

LOAD,LDPC,CLR:

ENDPC;

ARCHITECTUREAOFPCIS

SIGNALQOUT:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

PROCESS（LDPC,CLR,LOAD）

BEGIN

IF（CLR='

QOUT<

--将PC清0

ELSIF（LDPC'

EVENTANDLDPC='

）THEN--LDPC上边沿有效

IF（LOAD='

--将数据总线BUS的内容送入PC

=QOUT+1;

--PC＋1

=QOUT;

、主存储器单元

--一个带有8位地址输入和8位输出的只读存储器

--主存储器ROM16单元，用来存放CPU要运行的程序和数据

ENTITYROM16IS

ADDR:

CS:

DOUT:

ENDROM16;

ARCHITECTUREAOFROM16IS

DOUT<

10000000"

whenaddr="

andcs='

else--inr0

"

10010001"

00000001"

else--movr1,0

00000010"

else

10010010"

00000011"

else--movr2,0

00000100"

10010011"

00000101"

else--movr3,1

00000110"

else

10100001"

00000111"

else--L1:

cmpr0,r1

10110000"

00001000"

else--jbL2

00010000"

00001001"

00010111"

00001010"

else--mov1r1,r3

01111111"

00001011"

else--mulr3,r3

11001110"

00001100"

else--addr3,r2

11010001"

00001101"

else--incr1

11100000"

00001110"

else--jmpL1

00001111"

11111000"

else--L2:

outr2

00010001"

else--jmpL2

00010010"

and