计算机组成原理课程设计报告(江苏大学适用于软件工程).doc

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1、 江苏大学 计算机组成原理课程设计报告 专业名称： 软件工程班级学号：软件1001 学生姓名： 张建彬指导教师： 杨旭东 设计时间： 2012年6月 11 日 2012年6月20日第一天 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1、测试内容：立即寻址，直接寻址运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令0000077A 5678 0010MOV #5678H，0010H运行结果及分析：从微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再

2、是取目的操作数，006-01B01F-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007-044-047-072-000，将结果mov到内存里。2、测试内容：立即寻址，寄存器运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000761 5678 MOV #5678H，R1运行结果及分析：从微地址可以看出，先是取指令001-002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。由GRS可以看出最终结果由

3、0000变成了5678。四、 设计中遇到的问题及解决办法 才开始的时候，对软件的应用不是很熟悉，遇到一些麻烦，在同学的帮助下，解决了软件应用问题。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程序。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

4、目的地址码054CMPsrc, dst000110源地址码目的地址码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、运算类指令微程序微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注释00700000800OP4XXX指令执行入口0489870006FTR

5、oe, ADD, Sce, PSWce006FADD04C98B0006FTRoe,ADDC,SV,PSWce006FADDC05098F0006FTRoe,SUB,SV,PSWce006FSUB06F00000E707070存结果07068000000Soe,GRSce0000ALU运算，结果送寄存器07160030072Soe,DRce0072结果送存储器07200052000DRoe,ARoe,WR0000四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：ADD运算运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令000000020761 56780B61 F000MOV #5678H，R1ADD #

6、F000, R1运行结果及分析： 从微地址可以看出，第一阶段先是取第一条指令（MOV #5678H，R1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000变成了5678。第二阶段先是取第二条指令（ADD #F000, R1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址

7、方式，最后是执行阶段，007-048-04F-070-000，是ADD运算，结果存放在寄存器GRS中，可以看出结果为4678，并且产生进位，SZOC=0001，正确。五、设计中遇到的问题及解决办法 指令的入口地址开始时没看懂，在同学的点拨下明白了。再是写微程序阶段，完成微程序的输入后，输入时由于不太仔细有一些错误，经过调试发现并改正了错误。经过对每条运算的测试，一些结果不对，在自己的一步一步的查找中，通过和同学的微程序的对照，一一弄懂并改正了。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

8、件设计1、PC模块设计（加上适当注释）module 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) begin if (!n_reset)data = 0; else if (ce)data = d;else if(PCinc)data = data+1; endassign q = data;endmodule2、IR模块设计module IR #

9、(parameter DATAWIDTH=16)(input wire DATAWIDTH-1:0 d, input wire clk, input wire ce, input n_reset, output reg DATAWIDTH-1:0 q);always(posedge clk or negedge n_reset) begin if (!n_reset)q = 0; else if (ce)q = d;endDR:module DR #(parameter DATAWIDTH=16)(input wire DATAWIDTH-1:0 data_IB, input wire DAT

10、AWIDTH-1:0 data_DB, 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)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else if(DRce_DB)q=data_DB; endendmodule3、顶层模块设计（自己增加的设计部分）/TR/TR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) TR(.q(TR

11、_out),.d(IB),.clk(clock),.ce(TRce),.n_reset(n_reset);buffer #(DATAWIDTH) reg_buffer(.q(IB), .d(TR_out), .oe(TRoe);/ AR/AR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) AR(.q(AR_out),.d(IB),.clk(clock),.ce(ARce),.n_reset(n_reset);buffer #(ADDRWIDTH) AR_AB(.q(AB), .d(AR_out), .oe(ARoe_AB);buffer #(ADDRWIDTH) AR_IB(.q(IB), .d(

12、AR_out), .oe(ARoe_IB);/IR/IR寄存器的实例化R #(DATAWIDTH) IR(.q(IR_out),.d(IB),.clk(clock),.ce(IRce),.n_reset(n_reset);/PCPC PC(.d(IB), .q(PC_out), .n_reset(n_reset), .clk(clock), .ce(PCce), .PCinc(PCinc);buffer #(DATAWIDTH) PC_buffer(.q(IB), .d(PC_out), .oe(PCoe);/DRDR #(DATAWIDTH) DR(.q(DR_out), .data_IB(

13、IB), .data_DB(DB), .clk(clock), .DRce_IB(DRce_IB), .DRce_DB(DRce_DB), .n_reset(n_reset);buffer #(DATAWIDTH) DR_DB(.q(DB), .d(DR_out), .oe(DRoe_DB);buffer #(DATAWIDTH) DR_IB(.q(IB), .d(DR_out), .oe(DRoe_IB);三、验证1、测试内容：ADD运算运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令000000020761 56780B61 F000MOV #5678H，R1ADD #F000, R1结果和第

14、二天的一样，说明硬件扩充正确。四、设计中遇到的问题及解决办法 在写TR,AR,IR的实例化代码时，没注意是用寄存器模块R实例化得到的，经过报错和仔细看书后，发现了问题，成功改正过来了。完成程序运行出了问题，经过查找发现是DR模块出了问题，if(!n_reset)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else if(DRce_DB)q=data_DB;这一句被我写成了if(!n_reset)q=0;else if(DRce_IB)q=data_IB;else q=data_DB。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

15、、硬件uAG模块设计（自己修改的设计部分，加上适当注释）3d3:uAGout = NA8:1,BM3_uAR0; /3,根据条件转移指令操作码PSW的ZF,OF,SF,CF状态标志决定微地址/第四天always(SZOC, IR) begin case(IR7:6)/ 条件转移类指令 2b00: Flag_MUX=SZOC0; 2b01: Flag_MUX=SZOC1; 2b10: Flag_MUX=SZOC2; 2b11: Flag_MUX=SZOC3; default:Flag_MUX002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目

16、的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000变成了5678。第二阶段先是取第二条指令（ADD #F000, R1）001-002-003-004,再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-048-04F-070-000，是ADD运算，结果存放在寄存器GRS中，可以看出结果为4678，并且产生进位，SZOC=0001，正确。第三阶段，进入JC指令，因为C=1，有进位，所以条件满

17、足，执行的是075-077-000，正确。五、设计中遇到的问题及解决办法 程序中误将赋值符号=写成了=, 被同学发现，及时修改，并成功得到解决。第五天 为CPU扩充移位指令一、设计目标 在前面的CPU的基础上扩充硬件，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）wire data_lsb; wire data_hsb; /*/ */ 第五天要修改的代码 */assign data_lsb = 1b0 ; /assign data_hsb = 1b0 ; mux#(1) mux_1(.d1(0),.d2(0),.d3(d15),.d4(CF),.q(data_lsb)

18、,.addr(IR76); mux#(1) mux_2(.d1(d15),.d2(0),.d3(d0),.d4(CF),.q(data_hsb),.addr(IR76);/ 根据不同的移位指令，实例化两个四选一多路器，重新形成data_lsb和data_lsb */ 多路器mux在工程文件中已提供 */ */*2、CF模块设计timescale 1ns / 1psmodule CF(d15, d0, Cout, q, SL, SR);input d15, d0, Cout;input SL, SR;output q;reg q;always (*)begincase (SL, SR)3b01:

19、 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_uA002-003再是取目的操作数，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，007-092-06F-070，执行SAR指令。由下一条指令可以看出结果变成了03B0，为右移后的结果，正确。四、设计中遇到的问题及解决办法 在实例化两个四选一多路器时，给data_lsb,data_hsb初始化了，导致运行结果出错，经过老师的指导，改正正确。第六天 为CPU扩充堆栈类

20、指令一、设计目标 在前面的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 (posedge clk or negedge n_reset)beginif (!n_reset) q =

21、16 h003F; /当复位信号有效时，SP的输出为03Felse if (ce) /当使能信号有效时，输出就是输入的内容q = d; endendmodule2、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）SP #(DATAWIDTH) SP(.d(IB), .q(SP_out), .clk(clock), .ce(SPce), .n_reset(n_reset);buffer #(DATAWIDTH) SP_IB(.q(IB),.d(SP_out),.oe(SPoe);三、PUSH、POP、CALL、RET指令微程序的设计PUSH（堆栈指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注释0C0F43

22、000C1SPoe,Ace,SV00C1取sp0C162B300C2Soe,DEC,SV,DRce00C2Sp-10C27C0800C3Soe, SPce, ARce00C3Sp-1后的地址0C300052000DRoe, ARoe, WR0000将内容写入sp-1所指向的内存中POP（压栈指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注释0C8B00000C9ARoe, TRce00C9将目标地址先存放在暂存器中0C9F40800CASPoe, ARce, Ace00CA取sp 0CA027610CBRD, ARoe, DRce, INC,SV00CB读出sp所指向的内容，sp-10CB800

23、800CCTRoe, ARce00CC取目标地址0CC7C052000ARoe,DRoe,WR,Soe,SPce0000将sp中的内容写入目标地址CALL（子程序调用指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注释0D0F40000D1SPoe, Ace00D1栈顶单元减一，并保存原PC内容0D1B2B000D2DEC,SV, ARoe, TRce00D20D27C0800D3Soe,ARce,SPce00D3将sp-1送入SP和AR中0D3200300D4PCoe,DRce00D4将PC内容放入DR0D484052000ARoe,DRoe,WR,TRoe,PCce0000写入栈顶单元RET（

24、返回指令）微地址(H)微指令(H)微命令BMNA注释03CF408003DSPoe, ARce, Ace003D03D0276103FRD, ARoe, DRce, INC,SV003F03FC4000040DRoe, PCce00400407C000000Soe, SPce0000四、测试程序、数据及运行结果1、测试内容：PUSH（堆栈指令）运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令0000031A 0004PUSH 0004H运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001-002-003再是取目的操作数，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接寻址方式，

25、最后是执行阶段，0C0-0C1-0C2-0C3-000，执行PUSH指令。DR中为0004H里的内容5EE2。同时可以看出SP始终为3F。PUSH指令正确。2、测试内容：POP（压栈指令） 运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令0002033A 0008HPOP 0004H运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段先是取指令001-002-003再是取目的操作数，006-01B-01F-024-025-026-007，是直接寻址方式，最后是执行阶段，0C8-0C9-0CA-0CB-0CC-000，执行POP指令。SP减一变为3E。在内存中可以看出，0008H中的内容变成了0004H中的内

26、容5EE2。POP指令执行正确。3、测试内容：CALL（子程序调用指令） 运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令00000010035A 00100760 5555CALL 0010HMOV #5555,R0运行结果及分析：从微地址可以看出，第一阶段是取第一条指令（CALL 0010H），001-002-003，再是取目的操作数，006-01B-01F-024-025-026-007，最后是执行阶段，007-0D0-0D1-0D2-0D3-0D4-000，SP减一变为3E，PC转到0010H；第二阶段先是取第二条指令（MOV #5555H，R0）001-002-003-004,再是取源操

27、作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000变成了5555。4、测试内容：RET（返回指令）运行数据：内存地址(H)机器码(H)汇编指令000200120761 56780002MOV #5678，R1RET运行结果及分析： CALL执行完后，PC跳转到0012H，所以第一阶段先是取第二条指令（RET）001-002-003，然后执行RET，007-03C-03D-03F-040-000，SP加一变为3F，跳转回到原P

28、C，0002H处，进入第二阶段，先是取第一条指令（MOV #5678，R1），001-002-003，再是取源操作数，004-00B-00F-016-006，是立即数寻址方式，再是取目的操作数，006-018-007，是寄存器寻址方式，最后是执行阶段，007-044-046-000，将结果mov到寄存器里。在GRS可以看出由0000变成了5678。 四、设计中遇到的问题及解决办法 写微指令时遇到许多问题，刚开始没弄明白各条指令的意思，然后经过同学的讲解，弄懂了各个指令的意思，通过参考书籍，成功的写出了各个指令的微程序。第七天 为CPU扩充中断系统一、设计目标 在前面CPU的基础上增加中断系统，

29、使其支持键盘中断。二、硬件设计1、IF（可只写自己增加修改部分。并加上适当注释）if(!n_reset or cli)IF=0;else if(sti)IF=1;2、INTCif(KR)VA_out=h0020;else if(PR)VA_out=h0021;3、顶层模块设计（自己增加修改的设计部分）/第七天：IF、INTC的实例化 *IF IF(.clk(clock), .n_reset(n_reset), .sti(STI), .cli(CLI), .IF(IF_out);INTC INTC(.KR(KR), .PR(PR), .INTR(INTR), .VA_out(VA_out);bu

30、ffer #(DATAWIDTH) VA_B(.q(DB), .d(VA_out), .oe(INTA);三、微程序设计1中断响应隐指令的微程序设计微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9081F4005082750000050082CLI,SPoe,Ace08222B3008310A303000083DEC,SV,PCoe,DRce08374080084350020000084Soe,ARce,Ace08400052085000011020085ARoe,DRoe,WR08502B3308600A303030086DEC,SV,PSWoe,DRc

31、e0867C080087370020000087Soe,ARce,SPce08700052088000011020088ARoe,DRoe,WR08800026089000002010089INTA,DRce089C008008A60002000008ADRoe,ARce08A0006108B00001201008BARoe,RD,DRce08BC4000001610000000001DRoe,PCce2。中断返回指令RETI的微程序设计微地址(H)微指令(H)微指令字段(H)微命令F0F1F2F3F4F5F6F7F8F903EF4080028750020000028SPoe,Ace,ARce

32、02802761029009312010029INC,ARoe.RD,DRce,SV029D000002A64000000002ADRoe,TRce02A7408002B35002000002BSoe,Ace,ARce02B0276102C00931201002CARoe,RD,DRce,INC,SV02CC400002D61000000002DDRoe,PCce02D7C004000370000040000Soe,SPce,STI 总结: 这次关于CPU的课程设计，按照老师的计划，每天完成一定的量，使我们能够更加清晰的了解CPU组成以及数据通路，并且对实例化的语句有所了解，通过自己编写的程序使CPU能够实现转移、移位等功能，让我更加加深了对CPU的各种功能的理解。 在设计的过程中我也遇到了很多麻烦，虽然最后结果不是很成功，但是通过老师和同学的指导，解决了很多问题，让我了解到自己的不足。另一方面，通过本次课程设计能够联系之前的学习内容，发现自己在理解的基础上，实践能力得到了很大的提升。同时，也意识到还有很多东西不会，在今后的学习中，一定要认真对待，学会多和同学交流，发现自己存在的不足，让自己的学习能力强化。