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1、计算机组成原理课程设计报告专业名称： 计算机科学与技术班级学号： 计算机0802学生姓名： 指导教师：设计时间： 2010年 06 月 28 日2010年 07 月 01 日2010年 07 月第一天 取操作数微程序的设计和调试一、设计目标 设计并调试取操作数的微程序二、取操作数微流程三、测试程序、数据及运行结果格式如下：1、测试内容：立即数寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址立即寻址测试指令（或程序）：MOV #1234H，R1 机器码： 内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000761 1234MOV #1234H，R1运行结果及分析：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令
2、流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300400B00F016006018007。（后面的MOV指令的EXE微指令是由老师提供的），根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。在上图中，测试指令微程序最后一条微指令的地址为046，微指令是88000000，所代表的微操作应该是TRoe,GRSce。执行后CRS=0000，好像出错了。但是我们看到在下一条微指令时GRS=1234，赵老师在上实验课的时候曾经讲过这个问题，这是因为GRS的装入使能信号GRSce受时钟信号的影响，内容在微指令周期结束时才被保存，所以观察到的数据慢了一步。直接寻址测试指令（
3、或程序）：MOV 0014H，R1机器码： 内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000761 1234MOV 0014H，R1运行结果及分析：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300400B00F014015016006018007。根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。间接寻址测试指令（或程序）：MOV( 0014)，R1机器码： 内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000721 1234MOV (0014)，R1运行结果及分析：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是
4、设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300400B00F0120013014015016006018007。根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。测试指令（或程序）：MOV disp(0014)，R1机器码： 内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000701 1234MOV +disp，R1运行结果及分析：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300400B00F010011017015016006018007。根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。由于时间关系，今
5、天只验证了5种寻址方式。后面两种寻址方式的指令和编码如下所示：寄存器间接寻址MOV #1234H，(R1) 指令编码为0769 1234寄存器变址寻址MOV #1234H，disp(R1) 指令编码为0771 1234四、设计中遇到的问题及解决办法遇到的问题：1. 搞不清楚取操作数入口的微程序是由什么组成。2. 对软件UniDebugger的操作不太熟悉。3. 以为只需要将取源操作数的微程序输入到micro中就行了。解决的办法：1：一时搞不清楚去源操作数的入口的微程序究竟是要填什么，便不和它纠缠，往下看的时候，看到图中的都填满了微命令，便知道了，原来取操作数的入口的微命令是空的（NOP）。2：
6、认真地回忆了做实验的时候的上机步骤后，对该软件的基本操作基本熟悉，然后按照课程设计指导书上的要求便能更好地运用该软件。3：MOV指令为双操作数指令。原本以为该指令虽然是双操作数指令，但应该只涉及到取源操作数，至于目的操作数，该指令应该只是将源操作数输送到目的地址中，取不取目的操作数不影响问题的。但是很快，我就意识到这个认识是错误的了。因为在我执行该MOV指令的时候，程序竟然运行到0018处。这个微指令地址应该出现在取目的操作数阶段，但是我却没有将取目的操作数的微指令编码输入micro中，导致程序运行到该行后输出地微指令编码是00000000。当然运行结果肯定是错误的。于是我毫不犹豫地将取目的操
7、作数的微指令编码全都输入到micro中，然后再次运行MOV指令，这一次运行结果就正确了。第二天 运算指令的微程序设计与调试一、设计目标 设计并调试运算指令的微指令二、运算指令微程序入口地址指令助记符指 令 编 码入口地址（H）FEDCBA9876543210MOVsrc, dst000001源地址码目的地址码044ADDsrc, dst000010源地址码目的地址码048ADDCsrc, dst000011源地址码目的地址码04cSUB src, dst000100源地址码目的地址码050SUBBsrc, dst000101源地址码目的地址码054CMPsrc, dst000110源地址码目的
8、地址码058ANDsrc, dst000111源地址码目的地址码05cOR src, dst001000源地址码目的地址码060XOR src, dst001001源地址码目的地址码064TESTsrc, dst001010源地址码目的地址码068INC dst00000010001目的地址码0A4DEC dst00000010010目的地址码0A8NOT dst00000010011目的地址码0AC三、运算类指令微程序（参照指导书图26的形式）ADDC:04C98B0 006FTRoe,ADDC,SV,PSWce0:NA-uAR06FSUB: 05098F0 006FTRoe,SUB,SV,
9、PSWce0:NA-uAR06FSUBB: 0549930 006FTRoe,SUBB,SV,PSWce0:NA-uAR06FCMP: 05898C0 006FTRoe,SUB,PSWce0:NA-uAR000AND: 05C9970 006FTRoe,AND,SV,PSWce0:NA-uAR06FOR: 060 99B0 006FTRoe,OR,SV,PSWce0:NA-uAR06FXOR: 0649A30 006FTRoe,XOR,SV,PSWce0:NA-uAR06FDEC: 0A81AB0 006FTRoe,DEC,SV,PSWce0:NA-uAR06FNOT: 0AC19F0 006
10、FTRoe,NOT,SV,PSWce0:NA-uAR06F四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：1：将数据移动到寄存器中；2：将存储数据单元的内容加1；3：将寄存器中的数据和地址单元里的数据进行比较；4：将寄存器做为变址寄存器，将其与1111进行逻辑与运算运行数据：0760 0000MOV #0000H,R1;077A 1101MOV #1101,0010;023A 0011INC (0011);1B2A 0015CMP (0015),(R1);1F71 1111AND #1111,DISP(R1);运行结果：对于MOV指令而言，在第一天的课程设计的时候已经得到了验证，结果是正确的，这里就
11、不在重复了。加一指令INC，为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300600B00F02200230240250260070A406F071072000。根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的，而且，通过ALU运算后，输出结果加1，说明运算是正确的。对于CMP指令的执行出现了问题，没将图片拷下来。为了验证指令的正确性，我重新编写了MOV指令，并用了比较简单的寻址方式，以便快速查处问题所在。之后就是所遇到的问题。五、设计中遇到的问题及解决办法对于CMP指令的执行出现了问题，没将出问题的图片拷下来。但为了
12、验证指令的正确性，我重新编写了MOV指令，并用了比较简单的寻址方式。1B7A FFFD 0008MOV #FFFD，0008H并对RAM中的0008单元做了设置，将其中的内容改成了FFFD，根据CMP指令的工作原理，比较两个相同的数据的时候（两个数据都是FFFD），输出地PSW的标志位中的ZF应该为1，其他结果应该是0的。但是运行的结果与想象中的有很大差别。运行结果如下：仔细看图片中的数据：00100200300600B00F01600601B01F024025026007058000 指令的运行顺序没出现问题。但是结果出现了问题。SZOC为8，说明标志位SF为1，结果竟然是负的。再看看ALU
13、中的运行结果，竟然不是0000，而是FFFD，由此可知，并不是我的CMP指令出现了错误，而是ALU运算器出现了一点小小的错误（SUB指令的编写出了点问题）。第三天 CPU硬件的初级设计与验证一、设计目标 在运算器实验的基础上对硬件进行扩充，建立初级CPU的数据通路，构造一个只支持运算指令的初级CPU。二、硬件设计1、PC模块设计（加上适当注释） /*程序计数器PC与R模块一样采用异步复位，当n_reset有效时，PC清0，否则在时钟信号clk的上升沿如果数据装入使能ce有效则dq，如果自加信号PCinc有效则q+1q。PC通过三态门与IB相连。*/timescale 1ns / 1psmodu
14、le PC(d,q,n_reset,clk,ce,PCinc); input 15:0 d; input n_reset,clk,ce; input PCinc;output 15:0 q;reg 15:0 data;always (posedge clk or negedge n_reset)beginif(!n_reset)/当n_reset有效时，PC清0data = 0;else if(ce)/ce有效则dqdata = d;else if( PCinc )/PCinc有效则q+1qdata = data+1;endassign q = data;endmodule2、IR模块设计ti
15、mescale 1ns / 1ps/* DR连接内部总线IB和系统总线的DB;DR有两路数据输入data_IB、data_DB，分别来自IB、DB，相应的有两个装入使能信号DRce_IB、DRce_DB，输出端q分别通过两个三态门连到IB、DB。DR采用异步复位，复位时DR清0，否则在时钟信号的上升沿，当DRce_IB有效时则data_IBq，当DRce_DB有效时则data_DBq。*/module DR #(parameter DATAWIDTH=16)(input wire DATAWIDTH-1:0 data_IB, input wire DATAWIDTH-1:0 data_DB,
16、input wire clk, input wire DRce_IB, input wire DRce_DB, input n_reset, output reg DATAWIDTH-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) begin if(!n_reset)/ DR采用异步复位，复位时DR清0 q = 0; else if(DRce_IB)/DRce_IB有效时则data_IBq q = data_IB; else if(DRce_DB)/DRce_DB有效时则data_DBq q = data_DB;endendmodule3、顶层模块设
17、计（自己增加的设计部分）/TR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) TR(.q(TR_out), .d(IB), .clk(clock), .ce(TRce), .n_reset(n_reset);/AR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) AR(.q(AR_out), .d(IB), .clk(clock), .ce(ARce), .n_reset(n_reset);/IR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) IR(.q(IR_out), .d(IB), .clk(clock), .ce(IRce), .n_reset(n_reset);三、验证0762 0014 MOV
18、#0000H,R1;023A 0014 INC 0014H;1B2A 0015CMP (0015),(R2);0762 0001 MOV #0001,R2;1F72 1010 AND #1010,DISP(R2);运行结果：结果分析：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确，如果执行的微指令依次是：00100200300400B00F016006018007044046000根据前面指令微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的，而且GRS里的数据内容为：0014，所以执行的结果是正确的。INC指令的执行的微指令依次是：00100200300601B01F024
19、0250260070A406F071072000根据前面指令过程微流程的设计，所执行的微指令次序是正确的。INC指令执行后，ALU中内容是FFFD（原来0014单元内容为FFFC），所以执行结果是正确的。CMP指令：为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。执行的微指令依次是：00100200300400B00F012013014015016006019025026007058000根据执行结果看：ALU中运行结果是0000，而且标志位为。说明结果为，且没有借位。执行结果正确。MOV+AND指令指令的执行是没问题的。为了分析微程序是否正确，首先通过查看微指令流
20、程判断BM和NC是设置是否正确。执行的微指令依次是：00100200300400B00F01600601A01C01D01E02702502600705C06F071072000根据执行结果看：ALU中运行结果是0000，而且标志位为。说明结果为，且没有借位。执行结果正确。四、设计中遇到的问题及解决办法问题：INC指令在结果执行过程中仔细看程序执行的过程可知：INC指令应该在取完目的操作数之后（026）就转到EXE执行007，但是程序中却是直接返回取指令入口。这个问题应该出在微指令设计的正确性上，果然，查看micro中的微指令（026）单元，竟然是00000000，问题出现在这里。但是这个确实
21、很奇怪，在第二天的时候我已经将所有微指令都保存好了，但现在下载的微指令却和第二天的微指令不一样，很可能是软件设计上的缺陷吧。将正确的微指令输入后，问题也就解决了。同样的问题出现在AND指令上。一下就是AND指令运行的结果。从程序运行的流程上看：正确的AND指令应该在执行完01A后执行的01C的。但是这里却出现了错误。经检查，同样的问题出现了，micro了的微指令已经和第二天设计的微指令不一样了，由此可见该软件还存在一些缺陷。第四天 为CPU扩充转移指令一、设计要求 在初级CPU的基础上进行功能扩充，使其支持转移类指令二、硬件uAG模块设计（自己修改的设计部分，加上适当注释）3d3: uAGou
22、t=NA8:1,BM3_uAR0;case(IR7:6)/ 条件转移类指令 * 2b00: Flag_MUX=1b0; 2b01:Flag_MUX=1b0; / 添加第四天的代码，参照指导书图210 2b10: Flag_MUX=1b0; / 根据标志位正确生成BM3_uAR0 2b11: Flag_MUX=1b0; default:Flag_MUX=1b0; endcase三、转移指令微程序的设计四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容（1）：通过比较指令，将PSW标志位设置为5，然后测试转移指令是否能正确执行。运行数据：（0010单元设置为1111，如下图）1B7A 1111 0010CM
23、P #1111,0010;019A 000BJZ 000B;运行结果及分析：为了分析CMP+JZ微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，CMP执行的微指令依次是：00100200300400B00F01600601B01F024025026007058000根据执行结果看：ALU中运行结果是0000，而且标志位为。说明结果为，且没有借位。执行结果正确。接下来验证JZ指令执行是否正确：00100200300601B01F024025026007075077000，程序正常跳转，执行结果正确。测试内容（2）：通过比较指令，将PSW标志位设置为9，然后测试转移指令是
24、否能正确执行。运行数据：（0010单元设置为FFEF，如下图）1B7A 1111 0010CMP #1111,0010;019A 000BJZ 000B;运行结果及分析：为了分析CMP+JZ微程序是否正确，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，CMP执行的微指令依次是：00100200300400B00F01600601B01F024025026007058000根据执行结果看：ALU中运行结果是EEDE，而且标志位为9。说明结果为负，且有借位。执行结果正确。接下来验证JZ指令执行是否正确：00100200300601B01F024025026007075076000，程序
25、正常跳转，执行结果正确。五、设计中遇到的问题及解决办法出现的问题：在程序编写完成后，开始验证。但是指令运行顺序出现了问题。如图所示：（程序没有跳转到075的位置）微指令运行的顺序出现了问题，首先考虑微指令编码有没有出现错误。经仔细检测，指令编码没有出现问题。接下来很可能是程序出现了问题。果然，在转移指令的入口的地方，原本要设置为075H，但是我在编写代码的时候写成了 4b0011 IR7:5 1b01；这样子虽然能运行程序，但是却将程序复杂化，本来只需要一个模式来执行转移程序的，现在却必须为8个转移指令准备8个转移条件。为了使程序运行，将代码改成 h075 后，程序只需要一个入口来为8个转移指
26、令服务。第五天 为CPU扩充移位指令一、设计目标 在前面CPU的就出上扩充硬件，使其支持移位指令。二、硬件设计1、SHIFTER模块设计（加上适当注释）mux mux_lsb(.addr(IR76),.q(data_lsb),.d1(1b0),.d2(1b0),.d3(dDATAWIDTH-1),.d4(CF);mux mux_hsb(.addr(IR76),.q(data_hsb),.d1(dDATAWIDTH-1),.d2(1b0),.d3(d0),.d4(CF);2、CF模块设计timescale 1ns / 1psmodule CF_MUX(d15, d0, Cout, q, SL,
27、SR);input d15, d0, Cout;input SL, SR;output q;reg q;always (*)begincase (SL, SR)3b01: q = d0;3b10: q = d15;default:q = Cout;endcaseendendmodule3、IR_DECODE模块设计（自己增加修改的设计部分） 2b00: BM4_uA= 5b01001,IR7:5,1b0;4、顶层模块设计（增加自己修改的设计部分）wire CF;CF_MUX CFM(.d15(ALU_outDATAWIDTH-1),.d0(ALU_out0),.Cout(Cout),.q(CF
28、),.SL(SL),.SR(SR);三、移位指令微程序的设计微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9092SAR06010000006F1810 006F094SHL06020000006F1820 006F096SHR06010000006F1810 006F098ROL06020000006F1820 006F09AROR06010000006F1810 006F09CRCL06020000006F1820 006F09ERCR06010000006F1810 006F四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：测试7中移位指令是否能正确执行。运
29、行数据：0761 0011 MOV #0011,R1; 0021 SAR R1; 0761 0011 MOV #0011,R1;0041 SHL R1; 0761 0011 MOV #0011,R1;0061 SHR R1; 0761 0011 MOV #0011,R1;0081 ROL R1; 0761 0011 MOV #0011,R1;00A1 ROR R1; 0761 0011 MOV #0011,R1;023B FFFF INC #FFFF;00C1 RCL R1; 运行结果及分析：由于验证过程比较顺利，没有出现严重的错误，移位指令的执行结果也正确。这里只列出算术右移指令和带进位循环
30、右移指令的验证结果。先分析SAR：显然，MOV指令执行结果是正确的。现在分析SAR指令。首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，SAR执行的微指令依次是：00100200300601800709206F070000根据执行结果看：ALU中运行结果是0008，符合算术右移指令的规则。在分析RCR：在这个程序中，先执行MOV指令，再执行加一指令，最后执行带进位循环右移指令。显然，MOV指令的执行结果是正确的，加一指令也能按照其正确流程执行。对于RCR指令，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，RCR执行的微指令依次是：00100200300601800709E
31、06F070000，从指令执行流程来看，RCR指令时正确的。从指令运行结果来看，RCR由0000 0000 0001 0001变成了1000 0000 0000 1000,可见运行结果也是正确的。四、设计中遇到的问题及解决办法今天这次课设，主要问题出现在CPU的设计上。由于对Verilog的掌握还不是太熟悉，编写代码的时候还是会出现一些小问题。如实例化。而且在移位指令的编码上，我的想法还是和老师的有点不同。在我看来，移位指令的编码应该仅需要2个流程分支，即左移与右移，然后具体是逻辑左移还是算术左移，在shifter.v中已经用多路选择器来判断了，然而，最后还是为转移指令准备了7个分支，下次课设
32、的时候若时间有剩余的话，我会验证用2个流程分支来实现7个转移指令的正确性。第六天 为CPU扩充堆栈类指令一、设计目标 在前面CPU的基础上增加堆栈，使其支持与堆栈有关的PUSH，POP，CALL，RET指令。二、硬件设计1、SP模块设计（加上适当注释）timescale 1ns / 1psmodule SP(q,d,clk,ce,n_reset); parameter DATAWIDTH=16; output DATAWIDTH-1:0 q; input DATAWIDTH-1:0 d; input clk,ce,n_reset;reg DATAWIDTH-1:0 q;always (pose
33、dge clk or negedge n_reset)beginif (!n_reset) /复位信号有效时，堆栈SP为03Fq = h03F;else if (ce) /ce有效时，将输入送给输出q = d;endendmodule2、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）SP #(DATAWIDTH) SP1(.q(SP_out), .d(IB), .clk(clock), .ce(SPce), .n_reset(n_reset); buffer #(ADDRWIDTH) SP_Buf(.q(IB), .d(SP_out), .oe(SPoe);三、PUSH、POP、CALL、RET指令微
34、程序的设计PUSH指令微程序的设计：微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F90C0F400 00C17500000000C1SPoe,Ace0C102B0 00C200A3000000C2DEC,SV0C27C08 00C33700200000C3Soe,ARce,SPce0C30005 2000000011020000ARoe,DRoe,WRPOP指令微程序的设计：微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F90C8B000 00C95400000000C9ARoe,TRce0C9E008 00CA7000
35、200000CASPoe,ARce0CA0006 10CB0000110100CBARoe,RD,DRce0CB1008 00CC0400200000CCTRce,ARce0CC0005 20CD0000110200CDARoe,DRoe,WR,0CDF400 00CE7500000000CESPoe,Ace0CE0270 00CF0093000000CFINC,SV0CF7C00 0000370000000000Soe，SPceCALL指令的微命令设计：微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F90D0F400 00D17500000000D1SPo
36、e,Ace0D1B2B0 00D254A3000000D2DEC,SV,ARoe,TRce0D27C08 00D43700200000D3Soe,ARce,SPce0D32003 00D41000300000D4PCoe,DRce0D48405 2000410011020000ARoe,DRoe,WR,TRoe,PCce RET指令的微命令设计：微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F903CE008 003D70002000003DSPoe,ARce03D0006 103E00001301003EARoe,RD,DRce03EC400 003F61
37、000000003FDRoe,PCce03FF400 0040750000000040SPoe,Ace0400270 004100930000041INC,SV0417C00 0000370000000000Soe,SPce四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容(1)：CALL 0008H;MOV #1234,R1;RET;MOV #1111,R2;运行数据：运行结果及分析：结果分析：在这个程序中，先执行CALL指令，再执行MOV指令，接着执行RET指令，最后执行MOV指令。对于CALL指令，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，CALL执行的微指令依次是：0010020
38、0300601B01F0240250260070D00D10D20D30D4000，从指令执行流程来看，CALL指令时正确的。从指令运行结果来看，跳转到0008H单元执行MOV指令，可见运行结果也是正确的。对于MOV指令，这里就不再重复分析了。对于RET指令，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，RET执行的微指令依次是：00100200300703C03D03E03F040041000，从指令执行流程来看，RET指令时正确的。从指令运行结果来看，跳转到0002H单元执行MOV指令，可见运行结果也是正确的。测试内容(2)：PUSH 0008H;POP 0008H;运行数据：运行结果及分析：结果分析：在这个程序中，先执行PUSH指令，再执行POP指令。对于PUSH指令，通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，CALL执行的微指令依次是：00100200300601B01F0240250260070C00C10C20C3000，从指令执行流程来看，POP指令时正确的。从指令运行结果来看，DR中保存了FDDA，且SP自减一，可见运行结果也是正确的。对于POP指令，首先通过查看微指令流程判断BM和NC是设置是否正确。首先，POP执行的微指令依次是：00100200300601B01F0240250260070C80C90CA
