计算机组成原理乘法器和除法器课程设计

1、哈尔滨理工大学课程设计（计算机组成原理）题 目简单模型机指令系统的设计班 级：姓 名:指导教师：系主任：2017年03月10日计算机组成原理（课程设计）设计过程情况表学生姓名学号班级第一周遇到的问题及解决方法等情况（与同学讨论、教师解答、查阅资料等）问题1 :乘法指令如何设计循环语句解决方法：与老师讨论模型机的原有的语句后，决定用减法和为零跳转实现控 制循环冋题2:乘法指令如何取出每一位数子解决方法：查阅网上的资料，用乘数右移，与01B进行与运算，直到乘数为零第二周遇到的问题及解决方法等情况（与同学讨论、教师解答、查阅资料等） 问题1 :除法指令如何判断假除数和除数大小，假除数和被除数大小 解

2、决方法：查阅资料后，决定自己设计指令，操作数两组分别为寄存器和寄存 器，寄存器和累加器问题2:除法指令如何控制除数的移位解决方法：查阅网上的资料和与同学讨论后，决定除数固定位数，先左移四位， 再逐一右移。验收教师提问、指出的问题及学生回答情况（必须按实验室实际情况填写）。 问题1:如何判断是八位数？ 回答：与FFH进行与运算问题2:除法实现第一步干什么？ 回答：固定除数的位数，先左移四位 指出的问题：八位数的乘法，积的还是用一个寄存器保存会导致结果丢失目录1. 课程设计的目的 12. 课程设计的任务 13. 课程设计所用设备及所需资料 14. 设计内容 14.1设计原理 14.1.1 总体概述

3、 14.1.2 模型机的寻址方式 24.1.3 模型机微指令系统的特点 24.2 设计过程与步骤 错误！未定义书签。4.2.1. 模拟乘法除法的原理 44.2.2对应算法分配硬件 84.2.3 设计全新的指 /微指令系统 104.3 设计结果及分析 124.3.1 汇编语言程序 124.3.2 程序执行跟踪 135 心得体会 161. 课程设计的目的1. 在实验机上设计机器指令及对应的微指令 （微程序 ），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

4、践及独立分析、解决问题的能力。2. 课程设计的任务针对COP2000实验仪，首先通过综合实验了解该模型机微程序控制器原理（主要 指熟悉该模型机指令 /微指令系统的详细情况 ），然后以实现二进制乘法和除法运算功 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；并编写并运行实现乘法和除法的程序进行设计的验证。3. 课程设计所用设备及所需资料1. COP2000实验系统2. PC机（COP2000仿真软件）3. COP2000计算机组成原理实验仪说明书4. 设计内容4.1 设计原理4.1.1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

5、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。结构图如图 1 所示模型机为 8位机，数据总线、地址总线都为 8位，但其工作原理与 16位机相图1仿真结构图模型机的指令码为8位，根据指令类型的

6、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。4.1.2模型机的寻址方式模型机的寻址方式分五种，具

7、体说明如表1所示。4.1.3模型机微指令系统的特点1. 模型机微指令系统格式模型机有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。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

8、寻址操作数为累加器ACPL A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R0R3的寄存器中ADD A,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。AND A,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。

9、SUB A,#10H从累加器A中减去立即 数10H，结果存入累加器 ACOP2000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，如表3所示表2微指令控制信号的功能操作控制控制信号的说明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与信号。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

10、存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器1 PCEINT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。RRD读寄存器组R0R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。RWR写寄存器组R0R3，寄存器R?的选择由指令的最低两位决定。CN决疋运算器是否带进位移位，CN=1带进位，C

11、N=0不带进位。FEN将标志位存入ALU内部的标志寄存器。X2X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到 DBUS上的寄存器。X1X0WEN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。S2S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。S1S0COP2000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，如表4所示。表3寄存器微指令表4运算器微指令X2 X1 X0输出寄存器0 0 0IN_OE外部输入门0 0 1IA_OE中断向量0 1 0ST_OE堆栈寄存器0 1

12、1PC_OEPC寄存器1 0 0D_OE直通门1 0 1R_OE右移门1 1 0L_OE左移门1 1 1没有输出S2 S1 S0功能0 0 0A+W加0 0 1A-W减0 1 0A|W或0 1 1A&W与1 0 0A+W+C带进位加1 0 1A-W-C带进位减1 1 0AA取反1 1 1A输出A4.2.1.模拟乘法除法的原理1.无符号乘法：(1) 实例演示(列乘法具体例子演算的算式)：乘数与被乘数假设为00010000( 16)与00000110(6)，结果应该为0101000 ( 80)运算图示为表5所示。表5乘法演示0 0 0 1 0 0 0 0被乘数x0 0 0 0 0 110乘

13、数00000000初始部分积+ 00000000乘数取低位为0,部分积加000000000部分积0 0 1 0 0 0 0 0被乘数左移一位X00000011乘数右移一位00000000部分积+ 0 0 1 0 0 0 0 0乘数取低位为1, 部分积加被乘数0 0 1 0 0 0 0 0部分积0 1 0 0 0 0 0 0被乘数左移一位X0 0 0 0 0 0 01乘数右移一位0 0 1 0 0 0 0 0部分积+ 0 1 0 0 0 0 0 0乘数取低位为1, 部分积加被乘数(0) 0 1 1 0 0 0 0 0计算完毕，01100000(80),且无进位(2) 硬件原理框图：硬件原理实现及

14、分配如图 2所示图2乘法实现硬件原理图(3) 算法流程图：算法流程实现及顺序如图3所示。开始乘数为0NY结束匚数求 为W表6除法演示计算部分积 |图3乘法实现流程图2.无符号除法（1）实例演示（即，列4位除法具体例子演算的算式）：假设被除数和除数为01010111（ 87）和1010（10）结果商为1000（ 8）运算图示为:初始化被乘数.乘数以及部分积被乘数左移一位乘数右移一位计算结果0初始商10 10 少1 0 10 111初始除数与被除数1 0 1 0 0 0 0 0由除数初始化假除数，将除数左移4位0 10 10 111判断被除数与假除数的关系，小于假除数 （0） 0 1 0 1 0

15、0 0 0假除数右移一位，商左移一位0 0 0 0 0 1 1 1被除数大于假除数，相减产生新的被除数（01） 0 0 1 0 1 0 0 0假除数右移一位，商左移一位并加一10 0 0 0 0 1 1 1被除数小于假除数（010）0 0 0 1 0 1 0 0假除数右移一位，商左移一位0 0 0 0 0 1 1 1被除数小于假除数（0100）0 0 0 0 1 0 1 0假除数右移一位，商左移一位0 0 0 0 1 0 1 0被除数小于假除数（01000）0 0 0 0 0 1 0 1假除数右移一位，商左移一位此时此时商为01000余数为00000111余数小于除数，算法结束（2）硬件原理框

16、图：硬件原理实现及分配如图 4所示商左移R2（商）R3 （除数）t *j1AW1JLR1（余数R0（假除数）数）i1被除数除数假除数右移图4除法实现硬件原理图（3）算法流程图：算法流程实现及顺序如图5所示初始化被除数，除数以及部分积 除数右移四位得到假除数被除数二被除数-假除数被乘数左移一位假除数右移一位（结束图5乘法实现流程图422.对应算法分配硬件1.无符号乘法符号乘法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如表7所示:表7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计算时用来存放部分积和最后的积寄存器R1 初始化时，用来存放被乘数； 在程序执行的过程中，用来存放向左

17、移位后的被乘数。寄存器R2 初始化时，用来存放乘数； 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 ADD A,R?（加法）、SHL R?（左移一位）、SHR R?（右移一位）等命令时所必须使用的寄存器。寄存器W执行ADD A,R?（加法）、TEST R?,#ll （测试R2的末 位）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 控制程序按顺序正常执行；

18、 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。 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。微程序计数器卩PC:向微程序存储器uM提供相应微指令的地址。微程序存储器uM存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT:可以将运算结果输出到输出寄存器 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。2. 无符号除法无符号除法对应于COP2000实验仪的硬件具体分配使用情况如表8所示:表8无符号除法的硬件分配情况硬件名称实现算法功能描述寄存器R0 初始化时，用来存放除数 在程序执行过程中，

19、用来存放向右移位后的假除数寄存器R1初始化时，用来存放被除数；寄存器R2:在程序执行过程中，用来保存当前算得的商。寄存器R3在程序执行过程中，用来保存除数的值。累加器A 计算时用来存放中间结果； 执行CMP R?,A（比较）SUB A,R?（减法）等命令时所必 须使用的寄存器。寄存器W执行SUB A,R?（减法）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 控制程

20、序按顺序正常执行； 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。 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u PC:向微程序存储器uM提供相应微指令的地址。微程序存储器uM存储相应指令的微指令。输出寄存器OUT可以将运算结果输出到输出寄存器 OUT （本实验未用）。423设计全新的指/微指令系统1.设计新的指令集，如图6所示助记苻|机器码L机器玛2|机器码3_FATCH_0000OOxx00-03实唸机占用:MOVR?.ttllOOOOOlxx04-07IIMOV&R?0000lOxx08-OBR免#11OOOOllx

21、xOC-OFII兀IffltOOdlOOxx10-13JZMMOOOlOlxx14-17JHFMM0001lQxx18-IBADDK?,ADD01IIxk1C-IFADDB?,#11OOlOOOxx20-23IISHLft?OOLOOLiex24-27SHRE?00101Oxx28-2BOVEROOlOllxxZU-2FPUSHA01IOOrx30-33POPAOOUOlxx34-37SUBK?.AOUIOkx38-3BCHFRHAOOllllxx3C-3FCHFR?,R?OlOOOOxx40-43XIZWLA010001xx44-47MOVMMAOlDOlOxx4G-4BMM图6指令系统2.

22、设计新的微指令集，如图7所示助记苻状态徹地址|閒程序丽輸辻1埶稠打入|地址输出移位桂制PCFATCMTO巧00CBrrrr指警哥存器IRFC输出写入*1dimm+102mm彈空+103；mm浮空领出+13VIIITL04E7P6FP存贮器值曲奇存器和PC辅出*1*1TO05CBFFFPPC酱出MfiiE肓入+106FTFFFF譚空煤出*101FTFFFF溥空嫌出*1T108mn?寄存器值时寄存器A咖出+1TO09CBF1TF指令翕存吉氐比输出熾出+1OKmm谭空爛出+OBmm谭空谭空峨出+1MTO叫 HIT3XC7FFEF存贮器怎EJI寄存卸比输出墟泄*1TZ(n>FFF?F7寄存器尉寄

23、存挣谭空娥出+1T1OEFFFE9B标志曲£谭空与话當4TOOFCBFFTF谭空FCtfj出堀出写入*1MKT110<C6FFFF存戶器值亟寄在器FC兀裁出购出+1写入TO11CBFFFF谭空指令寄存署IRFC输出出写入+112FTFFJF浮空硝岀+113mrrr浮空+1JZT114C6FFFF存贮器値助寄存器兀F斶出+1写入TO15CBFFFF浮空指令哥存誥让rc输出写入+116FFFFFF+117FTWT譯空嵋出+1图7-1微指令系统JKFMMT118CBFFFF存贮器值肮+1写入TO19CBFFFF浮空指令奇在器口WE写入+1UFFFPFF浮生谭生«±

24、i+1IBFPFFFF浮空浮空+1ADDa?, aT21CFFF7EFEFTFSfSK?浮空AWtti+1T1IDFFFAMKLU直通谭空加运算*1TOIECBFFFF指令哥祎器忆输出写入+1IFFFFFFF浮空譚空+1ADDR?, tilT330rr?7r?SFrrSffift?寄存器A譚空Mft*+1T221emu再贮器值£MpettiASitt1+1Tl22FFFAMjdA；直晅奇存器诗棘志俭匚1加运算*1TOesCBFFFF浮空比输出Al&±i写入+1如R?T2舸FF?F7SF存蟲值矽Aftit*1Tl2$FFf9D7uu左移寄存淳於譚空Aftit左将*1T

25、O祐C BFFFF描令寄存器nireftiflAtttti写入+12?FFFFFF淨空淨空AWtt1mR?T2肉FF?f7寄存器俺即SFHx浮空mt*1TlZ9WT9NAL咗移Am右淨*1TOZkCBFFFF浮空猶令寄存署瞎FC输出a46±耳入+1£BFFFFFF谭空Am+1QWEBTO2CCBFFFF谭空牯令春存器IR理输出碎写入+12DFFFFFFAm+1L!EFFFFH譚空薛空Am+1£FFFFFFF谭突谭窒+1PUSHATl30FFEF9FALU直通难栈寄存器沉譚空碎+1TO31CBFFFF浮空牯令寄存器IR理精出Am写入+132FFFFFJ淳空洋空mt+

26、133FFFFFF浮空譚空+1图7-2微指令系统FOPAT134FFFTSF堆挨寄存gST寄存吉A谭空Am1TO36CBFFTF播令番存器邛写入+1mnv谭空譚空MekE*137mnv譚空科SUB帆 A'T336FFFF8FALU言通奇存那淖空科T239 'FFF7F7寄存曇佰时奇存跻+1T13AFFFA99AiuMig寄存曇丽标志位匚1譚空咸运算+1TO3BCBFFFF齢寄存期RFC输出写入半1CMFB?, AT33CFFFF8FALUlig寄存剳谭空+1T23DFFFFFF寄存吉值昭寄存辭谭空+1113ETFFE»AUJf标志鈕2浮空城运算+jTO3FCBFFTF

27、齢害存卸RPC输出写入+1IFff?. R?T340FFF7EF詩存謝宜時奇存細浮空關+1T241FFF7F7寄存署值呻浮空+1T142FFR99All/盲通标志f业匚I譚空楓运里+1TO43CBFFFF指令舒存器TRF«tMfttt写入+QXIEmt A44FFPFFF萍空浮空Mhtt+1T145FF9F9FAL唱通用户负MARlfct+1TO4SCBFTFFtSEFTfSisrcwijitMfcii+147FFFFFF渾空Alfiiti+1mVNHL AT248C7UFF地址寄存劉ARMfiit*1+1Ti49B7BF9PAUTlift祥贮吉E"MAElfctMft*1

28、TO4ACBFTFFPC输出写入+1.-图7-3微指令系统4.3设计结果及分析4.3.1汇编语言程序1.无符号乘法汇编程序MOV R0,#00H积初始化MOV R1,#10H被乘数初始化MOV R2,#05H乘数LOOP :AND R2,#0FFH判断乘数是否为零JZ LAST为零，则结束计算AND R2,#01H判断乘数末尾是否为一一JZ NEXT为一跳转MOV A,R1ADD R0,A部分积更新JC IFYC溢出判断NEXT :SHL R1被乘数左移SHR R2乘数左移JMP LOOPIFYC :MOV R3,#11HLAST :OVER2. 无符号除法汇编程序MOV R0,#0AHMOV

29、 R1,#57HMOV R2,#00HMOV R3,#0AHSHL R0SHL R0SHL R0SHL R0BEGIN :MOV A,R3CMP R0,AJC LASTMOV A,R0CMP R1,AJC SMALLJMP NEXTNEXT :MOV A,R0SUB R1,ASHL R2ADD R2,#01HSHR R0MOV A,R3CMP R0,AJC LASTJMP BEGINSMALL:SHL R2SHR R0MOV A,R3CMP R0,AJC LAST4.3.2 程序执行跟踪1. 乘法程序跟踪，如表 9 所示表 9 乘法程序跟踪汇编指令程序 地址机器 码指令说明微程序PCPP C运

30、行时寄存器或 存储器的值MOV R0 ,000400初始化部分积E7FBFF0104R0: 00H#00HCBFFFF0205MOV R1 ,02：0508初始化被乘数E7FBFF0304R1 : 08H#08HCBFFFF0405MOV R2 ,040607初始化乘数E7FBFF0504R2 : 07H#07HCBFFFF0605LOOP:AND060E0F乘数是否为0C7FFEF070CA:07HR2, #0FFHFFF7F7080DW:0FHFFFE9B080ECBFFFF080FJZ LAST08M414为0则跳转结束C6FFFF0914EM:14HCBFFFF0A15TEST R2,

31、0A0E01乘数末尾是否为0C7FFEF0B0CA:07H#01HFFF7F70C0DW:01HFFFE9B0C0ECBFFFF0C0FJZ NEXT0CM410为0跳转C6FFFF0D14EM:10HCBFFFF0E15MOV A,R10E09将被乘数放到A寄存器中E7FBFF0F04A:08HCBFFFF0F05ADD R0 , A0F1C将部分积与被乘数相加FFF7EF101CR0: 08HFFFA98101DCBFFFF10 11ENEXT:SHL1025被乘数左移FFF7F71124R1 : 10HR1FFF9DF1125CBFFFF1126SHR R2112A乘数右移FFF7F71

32、228R2 : 03HFFF9BF1229CBFFFF122AJMP LOOP121806进行循环C6FFFF1318EM:18HCBFFFF0619EM:06HLAST:OVER142C结束CBFFFF152CEM:2CH2.除法程序执行跟踪，如表10所示表10除法程序跟踪汇编指令程序 地址机器 码指令说明微程序PCPPC运行时寄存器或 存储器的值MOV R0，#1000040A初始化除数E7FBFF CBFFFF01020405R0: 0AHMOV R1 , #87020557初始化被除数E7FBFF CBFFFF03040405R1:57HMOV R2 , #0040600初始化商E7F

33、BFF0504P R2:00HCBFFFF0605MOV A,R00608将R0放在寄存器 A中E7FBFF0704A:00HCBFFFF0705SHL RO0824将原除数左移产生假除数FFF7F70924A:0AHFFF9DF0925L:14HCBFFFF0926R0： 14HSHL RO0924将原除数左移产生假除数FFF7F70A24A:14HFFF9DF0A25L:28HCBFFFF0A26R0： 28HSHL ROOA24将原除数左移产生假除数FFF7F70B°4P A:28HFFF9DF0B25L:50HCBFFFF0B26R0： 50HSHL ROOB24将原除数左移

34、产生假除数:FFF7F70C；24P A:50HFFF9DF0C25L:AOHCBFFFF0C26R0： AOHBEGIN:OC 134将假除数放在A寄存器 :FFFF570D：34P A:0AHMOV A,R0CBFFFF0D35CMP RO, AOE3D比较除数与假除数FFFF8FOF3CW:00HFFF7F7OF3DA:0AHFFFE99OF3ED:4DHCBFFFFOF3FJC LASTOF1021假除数小于除数则跳转结C6FFFF1010EM:10H束CBFFFF1111EM:21HMOV A,R011 :08将假除数放到A寄存器 1E7FBFF12：08:A:A0HCBFFFF1209CMP R1 , A123D比较余数与假除数的大小FFFF8F133CA:57HFFF7F7133DW:A0HFFFE99133ED:B7HCBFFFF133FJC SMALL13101D余数小于假除数跳转C6FFFF1410E:10HCBFFFF1D11E:1DHNEXT :14 118跳转C6FFFF1EM1E:10HJMP NEXTCBFFFF1E12E:1DHMOV A,R01508将假除数放到A寄存器E7FBFF1608R0： 50HCBFFFF1609SUB