计算机组成原理课程设计报告
班级：计算机/物联网 1406 班 姓名： 宋世波 学号： 完成时间： 2016-12-31
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COP 2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现
（1）模型机指令系统特点
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。
COP2000模型机指令的最低两位(IR0和IR1)用来寻址R0~R3四个寄存器；IR2和IR3与ELP微控制信号，Cy和Z两个程序状态信号配合，控制PC的置数即程序的转移。各种转移的条件判断逻辑如下所示：
当ELP=1时，不允许PC被预置
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当ELP=0时： 当IR3=1时，无论Cy和Z什么状态，PC被预置
当IR3=0时，若IR2=0，则当Cy=1时PC被预置，若IR2=1，则当Z=1时PC被预置
（2）模型机微指令系统特点（包括其微指令格式的说明等）
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。24位控制位分别介绍如下：
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uPC。 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?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、X0:三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
X2 X1 X0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 输出寄存器 IN_OE 外部输入门 IA_OE 中断向量 ST_OE 堆栈寄存器 PC_OE PC寄存器 D_OE 直通门 R_OE 右移门 L_OE 左移门 没有输出 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、S0:三位组合决定ALU做何种运算。
S2 S1 S0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 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 ~A A取反 A 输出A 2 / 27
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：
开始存入被乘数和乘数，结果置为0乘数为0？否是乘数右移移出位为0？是否被乘数加到结果中被乘数左移结束
②硬件原理框图：
被乘数左移加被乘数或0LDALUR被乘数乘数右移EM立即数乘数加、减、与运算A立即数W结果立即数
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（2）无符号除法
①算法流程图：
开始存入被除数和除数，结果清零，计数器置为4除数左移四位是除数小于被除数？否被除数和商左移一位是被除数小于除数？否被除数减掉除数结果加1计数器减一否计数器为0？是被除数右移4位即为余数结束
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②硬件原理框图：
乘数先左移至开头被除数和商左移移四位求余数被除数后加上对应数LDALUR除数EM立即数加、减、与运算结果AW计数初始为4，每次减一立即数立即数
①实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）：
0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0
0 1 0 0 0 0 1 1 0
0 1 1 0 ……………………………………1
0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0
0 1 1 0 ……………………………………0 0 1 0 0 1 1 0 0 0
0 1 1 0 ……………………………………1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0
0 1 1 0 ……………………………………1 0 0 0 1
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
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