计算机组成原理实验之基于复杂模型机两个8位二进制数乘法的实现

计算机组成原理实验报告

评语: 课中检查完成的题号及题数： 成绩:

实验报告

实验名称： 班级： 班级：

一、实验目的： 1. 综合运用所学计算机组成原理知识，设计并完成较为完整的计算机 2. 掌握原码一位乘实现的控制流程和硬件配置

二、实验内容：

利用复杂模型机编写程序实现两个8位二进制的乘法运算

三、项目要求及分析：

本程序要求编写程序实现两个8位二进制的乘法运算并将结果输出。两数相乘，可视为加法和移位两种运算，因为在模型机中规定字长全部用来表示数据，数值全为正，故不需要考虑符号，因此在设计编写时需要考虑的问题有：

（1）乘数、被乘数以及每次加法移位运算后的临时数据存放位置；

（2）在做加法运算时，如何取出乘数的末位以确定临时数据与0相加或与被乘数相加； （3）加法运算时，若两数相加产生溢出，如何判断溢出； （4）移位运算时，如何控制乘数与临时数据的右移位。

这里，需要考虑如何实现：

a).对于乘数，右移后将被乘数的末位移至乘数的高位；

b).对于临时数据，右移后若先前相加时产生溢出，则将被乘数高位补1，若无溢出，则高位补0；

（5）如何控制程序的结束。 对于问题（1），将临时数据存放在R0寄存器，乘数存放在R1寄存器，因为被乘数不一定每次都参与运算，因此存放在主存内，需要时调入寄存器R2中。

1

自评分:

必填

课后完成的题号与题数：

基于复杂模型机两个8位二进制数乘法的

实现

学号： 学号：

日期： 2011.12.29

姓名： 姓名：

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问题（2）中，将乘数与01相与结果再减1，若末位为0，则产生借位，FC=1，P<4>测试时直接进行下步的移位运算；若末位为1，则不产生借位，FC=0，P<4>测试时进行临时数据与被乘数相加，再进入下步的移位运算。

判断溢出的目的是为了在下步移位运算时确定临时数据的高位补1或是不0，因此问题（3）的判断方法可类似问题（2），将进位信息存入寄存器R2中后减1，再次存入R2。若进位为0，则产生借位，FC=1；若进位为1，则不产生借位，FC=0。

问题（4）先进行乘数的移位，将乘数与(FE)十六进制相与，从而将乘数末位变为0，再将临时数据与（01）十六进制相与，取出临时数据的末位，最后将两个相与的结果相或后右环移，就实现临时数据的末位移至乘数的高位的运算。进行临时数据的移位时，将临时数据与(FE)十六进制相与，从而将临时数据末位变为0，然后结果右环移，根据问题（3）溢出判断的结果选择与（80）十六进制或与（00）十六进制相或，就实现临时数据的移位。

问题（5）中，因为两个8位二进制数的乘法需要移位运算8次，故可设一个计数器，八次运算后结束程序。

四、具体实现：

1、画出算法流程图

2

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开始输入 00 ~ 07: 载入被乘数与乘数，分 别 存入 主存的60、61位置 初始化 08-0B：置计数值为08H，存入主存 0C-0D：初始和00=>R0, 0E-0F: 乘数=>R1 判断乘数末位 10-11: 被乘数=>R2 12-15: 01AND[R1]再减1，判断乘数末位是否为0Y (乘数末位为0）16 ~ 17: FC==1 ?N(乘数末位为1）相加 18: [R0]+[R1]=>[R0]部分积与被乘数相加判断溢出 19-20 : 若FC==1，有溢出，00=>R2 否则 01=>R2 移位 21-23:[R0]部分积右移一位 24： [R1]乘数右移一位，FC标记移出的数修正[R1]最高位 25-2E:若FC==1移位前[R0]最低位为1, 80AND[R1]=>[R1],[R1]最高位置1， 否则 7FAND[R1]=>[R1],[R1]最高位置0 即将[R0]最低位移到[R1]最高位修正[R0]最高位 2F-39:[R2]自减1 若FC==1,[R2原为0],有溢出 80AND[R0]=>[R0],[R0]最高位置1， 否则 7FAND[R0]=>[R0],[R0]最高位置0判断循环次数 3A-43：计数值=>[R2],自减1，再存入主存N(循环不足8）44-45: FZ==1 ?Y (循环8次） 存数 46-49：低八位[R1]存入主存64单元 高八位[R0]存入主存65单元输出 4A-4D4E: 算法完成, 停机

2. 根据算法实现，若需修改指令系统，画出修改后的微程序流程图

3

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红色为改动过的微程序代码

3．编写微程序

4

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红色为改动过的微程序代码 $M 00 000001 ; NOP

$M 01 006D43 ; PC->AR, PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; RS->B

$M 05 04B201 ; A加B->RD $M 06 002407 ; RS->B

$M 07 013201 ; A与B->RD $M 08 106009 ; MEM->AR $M 09 183001 $M 0A 106010 $M 0B 000001 $M 0C 103001 $M 0D 200601 $M 0E 005341 $M 0F 0000CB $M 10 280401 $M 11 103001 $M 12 063201 $M 13 002414 $M 14 05B201 $M 15 002416 $M 16 01B201 $M 17 002418 $M 18 02B201 $M 1B 005341 $M 1C 10101D $M 1D 10608C $M 1E 10601F $M 1F 101020 $M 20 10608C $M 28 101029 $M 29 00282A $M 2A 04E22B $M 2B 04928C $M 2C 10102D $M 2D 002C2E $M 2E 04E22F $M 2F 04928C $M 30 001604 $M 31 001606 $M 32 006D48 $M 33 006D4A $M 34 003401 $M 35 000035 ; IO->RD ; MEM->AR ; NOP

; MEM->RD ; RD->MEM ; A->PC

; NOP, P<3> ; RS->IO ; MEM->RD ; A-1->RD ; RS->B

; A减B->RD ; RS->B

; A或B->RD ; RS->B

; A循环右移->RD ; A->PC ; MEM->A

; MEM->AR, P<2> ; MEM->AR ; MEM->A

; MEM->AR, P<2> ; MEM->A ; RI->B

; A加B->AR ; A加B->A, P<2> ; MEM->A ; PC->B

; A加B->AR ; A加B->A, P<2> ; RD->A ; RD->A

; PC->AR, PC加1 ; PC->AR, PC加1 ; RS->RD ; NOP

5

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$M 36 006D51 ; PC->AR, PC加1 $M 37 001612 ; RD->A $M 38 001613 ; RD->A $M 39 001615 ; RD->A $M 3A 001617 ; RD->A $M 3B 000001 ; NOP

$M 3C 006D5C ; PC->AR, PC加1 $M 3D 006D5E ; PC->AR, PC加1 $M 3E 006D68 ; PC->AR, PC加1 $M 3F 006D6C ; PC->AR, PC加1

4. 编写机器指令验证

$P 00 20 ; START: IN R0,00H 从IN单元读入被乘数 $P 01 00 ;

$P 02 D0 ; STA 00 60H,R0 存入主存#60 $P 03 60 ;

$P 04 20 ; IN R0,#00H 从IN单元读入乘数 $P 05 00 ;

$P 06 D0 ; STA 00 61H,R0 存入主存#61 $P 07 61 ;

$P 08 60 ; LDI R0,08H 计数值08 $P 09 08 ;

$P 0A D0 ;STA 00 62H,RO 将计数值存入主存 $P 0B 62 ;

$P 0C 60 ;LDI R0,00H 载入初始和00 $P 0D 00 ;

$P 0E C1 ;LAD 00 61H,R1 读乘数到R1 $P 0F 61 ;

$P 10 C2 ;LAD 00 60H,R2 读乘数到R2 $P 11 60 ;

$P 12 63 ;LDI R3,01H 载入校验数01 $P 13 01 ;

$P 14 17 ;AND R3,R1 取乘数的最低位 $P 15 73 ;DEC R3 R3自减1

$P 16 F0 ;BZC 00 21H 最低位为0则跳转 $P 17 21 ;

$P 18 08 ;ADD R0,R2 相加

$P 19 F0 ;BZC 00 1FH 溢出则跳转 $P 1A 1F ;

$P 1B 62 ;LDI R2 01H R2作为溢出标志，不溢出为1 $P 1C 01 ;

$P 1D E0 ;JMP 00 21 $P 1E 21 ;

$P 1F 62 ;LDI R2 00H 溢出置0 $P 20 00 ;

6

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$P 21 63 ;LDI R3 00H 移位位数 $P 22 00 ;

$P 23 AD ;RR R1,R3 R1右移0位 $P 24 AC ;RR R0,R3 R0右移0位

$P 25 F0 ;BZC 00 2CH R0移出的是1则跳转 $P 26 2C ;

$P 27 63 ;LDI R3,01111111B 载入屏蔽字 $P 28 7F ;

$P 29 1D ;AND R1,R3 给R1最高位置0 $P 2A E0 $P 2B 2F $P 2C 63 $P 2D 80 $P 2E 9D $P 2F 72 $P 30 F0 $P 31 37 $P 32 63 $P 33 7F $P 34 1C $P 35 E0 $P 36 3A $P 37 63 $P 38 80 $P 39 9C $P 3A C2 $P 3B 62 $P 3C 72 $P 3D D2 $P 3E 62 $P 3F 63 $P 40 01 $P 41 8E $P 42 F0 $P 43 46 $P 44 E0 $P 45 10 $P 46 D1 $P 47 64 $P 48 D0 $P 49 65 $P 4A 34 $P 4B 40 $P 4C 30 $P 4D 40 ;JMP 00,2F ;

;LDI R3 10000000B ;

;OR R1,R3 ;DEC R2 ;BZC 00 37H ;

;LDI R3,01111111 ;

;AND R0,R3 ;JMP 00,3AH ;

;LDI R3,10000000 ;

;OR R0,R3 ;LAD 62H,R2 ;

;DEC R2 ;STA 62H,R2 ;

;LDI R3,01H ;

;SUB R2,R3 ;BZC 00 46H ;

;JMP 00 10H ;

;STA 64H,R1 ;

;STA 65H,R0 ;

;OUT 40H,R1 ;

;OUT 40H,R0 ;

载入屏蔽字 给R1最高位置1 R2自减1

18步有溢出则跳转 置入屏蔽字 给R0高位置0 置入屏蔽字 给R0高位置1 取计数值 计数值自减1 存计数值 载入检验数 判断是否循环8次

执行到第八次时00-01有借位，跳转 返回继续循环 低位存入主存#64H 高位存入主存#65H 显示低位 显示高位 7

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$P 4E 50 ;HLT 停机 联机装入调试

五、调试运行结果：

03H?03H?0009H

FFH?FFH?FE01H

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六、所遇问题及解决方法：

设计中的主要问题就是上述问题分析时遇到的问题，这些问题的解决花费了很长一段时间。此外，在测试时，由于一些数据在运算过程中出现临时数据移位时使得临时数据全为0，或者乘数移位时出现全为0，此时FZ=1，P<4>测试时与FC=1一样进行同样处理，导致最终结果错误。对于这个问题，在分析过程中发现，只需将溢出和临时数据移位时判断条件全部改为FC=1，然后将FZ的线拔掉就可以避免。

七、实验总结：

1. 模型机的设计是一个新的知识，在编写时遇到了很多问题与难处，因此我们

在编写时不断查阅课本，加深理解。

2. 复杂模型机的调试是一个极其繁琐的过程，这就要求我们编写是要细心认

真，调试出现问题时要耐心检查。

3. 模型机的设计加深了我们对计算机内部各组件工作原理的理解。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uozv.html