计算机组成原理课程设计报告-乘法-除法-

('成绩：课程设计报告课程名称：实验项目：姓名：专业：班级：学号：计算机组成原理课程设计用微指令实现乘法和除法的程序计算机科学与技术计算机14-6班计算机科学与技术学院实验教学中心2016年9月1日哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告设计项目名称：用微指令实现乘法和除法的程序（2学时）一.设计目的1、通过学习用微指令实现乘法和除法的程序，巩固课本知识，加深对所学知识的理解,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。2、通过实际上机动手操作和亲自设计，锻炼自身的动手能力和实践能力，将课本的理论知识运用于实践，培养综合实践及独立分析、解决问题的能力，充分发挥理论联系实践的教学理念。3、通过上机学习对微指令的设计，为以后走上工作岗位奠定一定的基础，同时也为以后学习其他相关的内容做铺垫。4.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。二.设计内容针对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.使用仪器cop2000计算机组成原理实验系统。四.设计步骤1、理解试验系统自带的每一条微指令的含义和具体工作流程。2、根据原有的微指令自己设计微指令。3、微指令设计完成后调试所有的微指令确保没有错误。4、用自己设计的微指令编写实现乘法和除法运算的程序。5、编写程序完毕后调试并运行代码，观察是否能够满足需求。五.微程序设计指令原理1.在微指令的控制字段中,每一位代表一个微命令,在设计微指令时,是否发出某个微哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告命令,只要将控制字段中相应位置成"1"或"0",这样就可打开或关闭某个控制门。2.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ACPLA将累加器A的值取反隐含寻址累加器AOUT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将寄存器R0的值加上累加R0~R3的寄存器中ADDA,R0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将寄存器R1的值作为地址，把存储器EM中，数据的地址储器EM中该地址的内容送入累加哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告在寄存器R0-R3中MOVA,@R1A中存储器直接寻址参与运算的数据在存将存储器EM中40H单元的数据储器EM中，数据的地与累加器A的值作逻辑与运算，址为指令的操作数。ANDA,40H结果存入累加器A立即数寻址参与运算的数据从累加器A中减去立即为指令的操作数。SUBA,#10H数10H，结果存入累加器A（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。③微指令控制信号的功能以及控制信号的说明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。哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告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。X2、X1、X0X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。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、S1、S0S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。④COP2000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⑤COP2000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010AW或011A&W与100A+W+C带进位加哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告101A-W-C带进位减110~AA取反111A输出A六.设计具体过程1、理解试验系统自带的每一条微指令的含义和具体工作流程。2、根据原有的微指令自己设计微指令系统。①根据所设计的每条微指令的工作原理，选择相应的控制功能，下面以微指令ADDA,R？为例说明：第一个周期T3,实现将寄存器R中的内容送到寄存器W中，控制信号RRD和WEN有效，控制信号选择如下：第二个周期T1，实现将累加器A中的内容与寄存器W中的内容相加后送到累加器A中，控制信号FEN有效，影响标志位，不带进位加法S2、S1、S0为000,AEN有效，ALU直通，X2、X1、X0为100。控制信号选择如下：第三个周期T0,实现获得下一条微指令的入口地址，控制信号EMRD、PCOE和IREN有效。控制信号选择如下：哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告②通过结构图检验自己所设计的微指令是否正确。结构图如下：3、微指令设计完成后调试所有的微指令确保没有错误。4、用自己设计的微指令编写实现乘法和除法运算的程序。①乘法原理：本实验采取原码一位乘计算，控制流程如下：乘法运算前，将A寄存器清零，作为初始部分积，被乘数原码放在X中，乘数放在Q中，计数器C存放乘数的位数n。乘法开始后，首先通过异或运算，求出乘积符号并存在S,接着将被乘数和乘数从原码形式变为绝对值。然后根据Qn的状态决定部分积是否加上被乘数，在逻辑右移一次，重复n次，即得运算结果。②除法原理：本实验采用累减法实现除法运算，其控制流程如下：将被除数保存在累加器A中，将除数保存在存储器M中的某一位置，同时用寄存器R1,R0存放商和余数。每次进行运算前，先判断累加器A中的内容是否大于存储器M中的内容，若大于，则将A的内容减去存储器M中的内容，并将寄存器R1加1,，否则直接将A存哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告入R0中，结束运算。5、编写程序完毕后调试并运行代码，观察是否能够满足需求。七.运行结果1、乘法：计算两个16进制的数8fh(143d)和0dh(13d)的乘积。通过笔算可知14313=1859(0743h),通过微程序计算的结果跟笔算结果一样，计算结果保存在EM存储器中，高位保存在33h号单元中，低位保存在34h号单元中，笔算结果和程序运算结果一致，证明所设计的乘法运算程序在一定数据范围内是正确的。2、除法：①整除时的情况：计算两个16进制的数8fh(143d)和0dh(13d)的商通过笔算可知143/13=11······0，通过微程序计算的结果跟笔算结果一样，计算结果保存在EM存储器中，商保存在33h号单元中，余数保存在34h单元中。笔算结果和程序运算结果一致，证明所设计的除法运算程序在一定数据范围内是正确的。哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告②非整除时的情况：计算两个16进制的数0efh(239d)和1ah(26d)的商通过笔算可知239/26=9······5，通过微程序计算的结果也如此。计算结果保存在EM存储器中，商保存在33h号单元中，余数保存在34h单元中。笔算结果和程序运算结果一致，证明所设计的除法运算程序在一定数据范围内是正确的。哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告八.程序代码1.源程序代码①乘法：movea,#8fhmove30h,amover0,amovea,#0dhmove31h,amover1,amover2,#08hmovea,#00hmover3,amul:movea,r2subnca,#01hmover2,ajumpcreturnmovea,r3rrcamover3,amovea,r1rrcamover1,ajumpcjiajumpmuljia:movea,r3哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告addnca,r0mover3,ajumpmulreturn:movea,#00hrrcamovea,r3rrcamove33h,amovea,r1rrcamove34h,a②除法：movea,#0efhmove30h,amove34h,amovea,#1ahmove31h,amovea,#00hmove33h,aloop:movea,34hsubisca,31hjumpcreturnmove34h,amovea,33haddisca,#01hmove33h,a哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告movea,34hsubisca,#00hjumpzreturn1jumploopreturn:addisca,31hreturn1:move34h,a2.微指令系统指令系统表ADDNCA,R？不带进位实现累加器A和寄存器R之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDISCA,R？带进位实现累加器A和寄存器R之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDNCA,@R？不带进位实现累加器A和以寄存器R中的内容为地址的数据之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDNCA,MM不带进位实现累加器A和存储器MM之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDISCA,MM带进位实现累加器A和存储器MM之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDNCA,#II不带进位实现累加器A和立即数II之间的加法,结果保存到累加器A中。ADDISCA,#II带进位实现累加器A和立即数II之间的加法,结果保存到累加器A中。SUBNCA，R?不带进位实现累加器A和寄存器R之间的减法,结果保存到累加器A中。SUBISCA，R?带进位实现累加器A和寄存器R之间的减法,,结果保存到累加器A中。SUBNCA，MM不带进位实现累加器A和存储器MM之间的减法,结果保存到累哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告加器A中。SUBISCA，MM带进位实现累加器A和存储器MM之间的减法,,结果保存到累加器A中。SUBNCA，#II带进位实现累加器A和立即数II之间的减法,结果保存到累加器A中。SUBISCA，#II带进位实现累加器A和立即数II之间的减法，结果保存到累加器A中。ANDAR？将累加器A中的内容与寄存器R中的内容进行与运算，并将结果保存到累加器A中。ANDA@R？将累加器A中的内容与以寄存器R中的内容为地址的存储器数据进行与运算，并将结果保存到累加器A中。ANDAMM将累加器A中的内容与存储器MM中的内容进行与运算，并将结果保存到累加器A中。ANDA#II将累加器A中的内容与立即数II进行与运算，并将结果保存到累加器A中。ORAR？将累加器A中的内容与寄存器R中的内容进行按位或运算，并将结果保存到累加器A中。ORA@R？将累加器A中的内容与以寄存器R中的内容为地址的存储器数据进行按位或运算，并将结果保存到累加器A中。ORAMM将累加器A中的内容与存储器MM中的内容进行按位或运算，并将结果保存到累加器A中。ORA#II将累加器A中的内容与立即数II进行按位或运算，并将结果保存到累加器A中。RRCA累加器A带进位右移JUMPCMM有借位跳转到MMJUMPZMM为零跳转到MMJUMPMM无条件跳转到MMMOVEA,#II将立即数II传送到累加器A中MOVEA,MM将存储器MM中的内容传送到累加器A中MOVEMM,A将累加器A中的内容传送到存储器MM中哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告MOVER？,A将累加器A中的内容传送到寄存器R中MOVEA,R?将寄存器R中的内容传送到累加器A中MOVERPOSR?将寄存器R中的内容右移一位MOVELPOSL?将寄存器R中的内容左移一位TESTR？，#II将寄存器R中的内容和立即数II进行与运算，结果不保存到寄存器R中，只改变标志位。CMPR?将累加器A中的内容减去寄存器R中的内容，结果不保存到累加器A中，只改变标志位。哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院课程设计报告九.设计总结通过这次对微指令系统的设计以及对乘法和除法运算程序的设计，使我受益匪浅。在最初接触到微指令时，对这些微指令的实际工作流程不是很理解，对于有的微指令甚至一窍不通，后来，经过老师的讲解和与同学的交流以及自己的苦力钻研，使我对微指令的工作情况有了比较深刻的认识和理解。在微指令系统的设计阶段，我认真查阅了每一条微指令的具体含义，因此，在这个阶段还是比较顺利的，很快便完成了微指令系统的设计。在乘法运算程序的编码阶段中遇到了较大的困难，因为两位十六进制的数相乘有可能产生溢出的情况，得到的结果有可能是3位或者4位的十六进制的数，如果采用累加运算来模拟乘法的过程，那么程序代码会比较简单，实现起来也很容易，但是问题来了，由于EM存储器中的结果只能保存两位有效的十六进制数据，所以采用累加运算将无法有效的解决数据溢出的情况，那么怎么来解决这个问题呢？我想了好几天也没想明白，后来不得不放弃这种方法，尝试我很不愿意面对的原码一位乘方案。对于原码一位乘书上有很详细的说明和例题，但是当实际运用起来的时候却发现并没有想象中的那么简单，经过请教同学和再三考虑后终于完成了，真是舒坦啊。那么对于除法运算的程序实现，由于只要求得到整数部分的结果就可以，采用累减的方法将会很方便的将其实现。虽然本次实验课只有短短的几天时间，但是的确让我收获的不少东西，对我的人生也是一种历练。对于微指令，从最初的不会到初识，从初始到了解，了解到深刻认识。通过学习用微指令实现乘法和除法的程序，巩固课本知识，加深对所学知识的理解,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。通过实际上机动手操作和亲自设计，锻炼自身的动手能力和实践能力，将课本的理论知识运用于实践，培养综合实践及独立分析、解决问题的能力，充分发挥理论联系实践的教学理念。通过上机学习对微指令的设计，为以后走上工作岗位奠定一定的基础，同时也为以后学习其他相关的内容做铺垫。',)