模型計算機(jī)的設(shè)計概要

1、 學(xué)校代碼：10128 學(xué) 號： 計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程 設(shè)計說明書 題 目:模型計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名： 學(xué)院：信息工程學(xué)院 班級： 組另y: 指導(dǎo)教師： 2012 年 7 月 13 日 摘要 3 第一部分模型計算機(jī)設(shè)計 4 1.1 簡單描述 4 1.2 設(shè)計內(nèi)容 4 1.2.1 指令周期流程圖 4 1.2.2 機(jī)器指令設(shè)計 5 1.2.3 系統(tǒng)組成框圖 5 第二部分運(yùn)算器的設(shè)計與調(diào)試 7 2.1 設(shè)計要求 7 2.2 設(shè)計內(nèi)容 7 2.2.1 設(shè)計圖 7 第三部分 微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試 11 3.1 設(shè)計要求 11 3.2 設(shè)計內(nèi)容 11 3.2.1 數(shù)據(jù)通路圖 11 3.2.2

2、微指令格式 12 3.2.3 微程序流程圖 13 3.2.4 二進(jìn)制代碼表 14 第四部分整機(jī)調(diào)試 17 41 設(shè)計內(nèi)容 17 4.2 數(shù)據(jù)連通圖和接線圖 18 4.3 運(yùn)行結(jié)果 19 本報告主要是在計算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗系統(tǒng)上搭建模型計算機(jī) 系統(tǒng)，完成運(yùn)算器、微程序控制器的設(shè)計調(diào)試任務(wù)，并用所設(shè)計的指令系統(tǒng)編 寫一個實(shí)現(xiàn)簡單功能的程序，在搭建的模型機(jī)系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運(yùn)行程序 其中至關(guān)重要的一步是用復(fù)雜可編程邏輯部件來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器的功能。 一、設(shè)計題目 基于TD - CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)的模型計算機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 二、設(shè)計目的 計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的后續(xù)設(shè)計性課

3、程，通過 設(shè)計一臺模型計算機(jī)，使學(xué)生更好地理解計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容，掌握計算 機(jī)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗動手能力和創(chuàng)新意識，為以后進(jìn)行計算機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。 三、設(shè)計任務(wù) 在西安唐都科教儀器公司研發(fā)、生產(chǎn)的TD - CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計 一個 8 位模型計算機(jī)系統(tǒng)，包括運(yùn)算器，微程序控制器，存儲器, 簡單輸入輸出接口和 設(shè)備。要求學(xué)生自己定義一套簡單的指令系統(tǒng)，制定系統(tǒng)的設(shè)計方案和實(shí)現(xiàn)方法。 在計算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗系統(tǒng)上搭建模型計算機(jī)系統(tǒng)，完成運(yùn)算器、微程 序控制器的設(shè)計調(diào)試任務(wù)，并用所設(shè)計的指令系統(tǒng)編寫一個實(shí)現(xiàn)簡單功能的程序，在搭 建

4、的模型機(jī)系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運(yùn)行程序。最后總結(jié)實(shí)驗結(jié)果，完善所設(shè)計的模型機(jī)系 統(tǒng)方案和電路圖，寫出完整的設(shè)計報告。 四、實(shí)驗設(shè)備和環(huán)境 實(shí)驗設(shè)備： 1計算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗箱1 臺 2. PC機(jī) 1 臺 軟件環(huán)境： 1 . 操 作系統(tǒng)： Windows XP 2. CMA （實(shí)驗箱配套軟件） 3. QuartusII4.2 第一部分模型計算機(jī)設(shè)計 1.1簡單描述 設(shè)計實(shí)現(xiàn)一個簡單的模型機(jī)，該模型機(jī)包含若干條條簡單的計算機(jī)指令，其 中至少包括輸入、輸出指令、存儲器指令、寄存器訪冋指令、運(yùn)算指令、程序控 制指令。學(xué)生需根據(jù)要求自行設(shè)計出這些機(jī)器指令對應(yīng)的微指令代碼，并將其存 放于控制存儲器，并

5、利用機(jī)器指令設(shè)計一段簡單的指令程序。將實(shí)驗設(shè)備通過串 口計算機(jī)，通過聯(lián)機(jī)軟件將機(jī)器指令程序和編寫的微指令程序存入主存中，并運(yùn) 行此段程序，通過聯(lián)機(jī)軟件顯示和觀察該段程序的運(yùn)行，驗證編寫的指令和微指 令的執(zhí)行情況是否符合要求，并對程序運(yùn)行結(jié)果的正、誤分析其原因。 1.2設(shè)計內(nèi)容 1.2.1指令周期流程圖 - 結(jié)束 圖2-1 指令周期流程 1.2.2機(jī)器指令設(shè)計 機(jī)器指令碼設(shè)計 助記符 實(shí)現(xiàn)功能 機(jī)器指令代碼 INO(RO) A-R0 0010 0000 IN1(R1) B-R1 0011 0000 ADD(R0 , R1) A+B-R0 0000 0000 MUL(R0 , R1) AvB-R0

6、 0101 0000 AND(R0,R1) AB-R0 0110 0000 OUT(R0) A-OUT 0111 0000 HLT NOP 1000 0000 1.2.3系統(tǒng)組成框圖 ALU XX OUT XI EJ - st n T4 LOAD* LOPC * T3 * W I ; MR 林W IOP | LO* RO )dr Ri- rd TJ 各部件功能為： 1. LDPC微程序控制器輸出的PC加1信號。 2. LOAD微程序控制器的輸出信號。LOA40時，PC程序計數(shù)器處于并行置數(shù)狀 態(tài)；LOA4 1時，PC處于計數(shù)狀態(tài)。 3. ALU BUS微程序控制器的輸出信號，控制運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)

7、果是否送到總線 BUS低電平有效。 4PCBUS 微程序控制器的輸出信號， 控制程序計數(shù)器的內(nèi)容是否送到總線 BUS， 低電平有效。 5. R0-BUS微程序控制器的輸出信號，控制寄存器R0的內(nèi)容是否送到總線BUS 低電平有效。 6. SV- BUS微程序控制器的輸出信號，控制 8位數(shù)據(jù)開關(guān)SW- SW0勺開關(guān)量是 否送到總線，低電平有效。 7. LDR0 微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入寄存器R0。 8. LDDR1微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運(yùn)算暫存器DR1 9. LDDR2微程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運(yùn)算暫存器DR2 10. LDIR 微

8、程序控制器的輸出信號，控制把總線上的數(shù)據(jù)（指令）輸入到 指令寄存器 IR 中。 第二部分運(yùn)算器的設(shè)計與調(diào)試 2.1設(shè)計要求 1 認(rèn)真閱讀實(shí)驗教材，了解實(shí)驗所用儀器和設(shè)備的使用方法及注意事項; 2. 了解 VHDL HDL語言； 3. 了解Quartusll 軟件環(huán)境； 4. 實(shí)現(xiàn)自定義運(yùn)算器； 5. 提交在Quartusll軟件中建立的工程文件； 2.2設(shè)計內(nèi)容 1. 自定義運(yùn)算器的功能； 2. 使用TD- CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)提供的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD （EMP1270，根據(jù)指令功能選擇（確定）相應(yīng)的算邏運(yùn)算，用原理圖輸入或 VHDL 硬件描述語言方法進(jìn)行設(shè)計，在Quartusll軟

9、件中建立工程文件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功 能； 3. 在“計算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)實(shí)驗系統(tǒng)”上調(diào)試和完成運(yùn)算器的設(shè)計工作； 2.2.1設(shè)計圖 輸入輸出及引腳分配圖 加法運(yùn)算預(yù)算芯片 U如 或運(yùn)算芯片 或運(yùn)算的邏輯圖 P3=| R 嚴(yán)II 控制輸出圖 第三部分微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試 3.1設(shè)計要求 1 認(rèn)真閱讀實(shí)驗教材，了解實(shí)驗所用儀器和設(shè)備的使用方法及注意事項； 2 將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中； 3 用單步執(zhí)行微指令方式執(zhí)行微程序并觀測所發(fā)出的控制信號； 4每組編寫的程序必須有助記符表示的匯編語言源程序，并把源程序翻 譯成機(jī)器指令代碼，并記錄相關(guān)實(shí)驗結(jié)果； 5.提交微程序流程圖、對應(yīng)的二進(jìn)制微代碼表

10、 3.2設(shè)計內(nèi)容 1 編寫出實(shí)現(xiàn)自定義指令系統(tǒng)的微程序； 2 將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中； 3.在TD- CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)平臺上調(diào)試和完成微程序控制器的設(shè)計工作; 3.2.1數(shù)據(jù)通路圖 322微指令格式 微指令格式 23 22 21 20 19 18-15 14-12 11-9 8-6 5-0 M23 M22 WR RD IOM S3-S0 A字段 B字段 C字段 MA5-MA0 A、B、C各字段功能說明: A字段 B字段 C字段 14 13 12 選擇 11 10 9 選擇 8 7 6 選擇 0 0 0 NOP 0 0 0 NOP 0 0 0 NOP 0 0 1 LDA 0 0 1

11、 ALU B 0 0 1 P 0 1 0 :LDB 0 1 0 R0 B 0 1 0 保留: 0 1 1 LDR0 0 1 1 保留 0 1 1 保留 1 0 0 :保留 1 0 0 保留 1 0 0 保留: 1 0 1 保留 1 0 1 保留 1 0 1 保留 1 1 0 保留 1 1 0 保留 1 1 0 保留 1 1 1 :LDIR 1 1 1 保留 1 1 1 保留: 323微程序流程圖 324二進(jìn)制代碼表 地址 十六進(jìn)制 咼五位 S3 S0 A字段 B字段 C字段 MA5 MA0 00 00 00 01 00000 0000 000 000 000 000001 01 00 6D 4

12、3 00000 0000 110 110 101 000011 03 10 70 70 00010 0000 111 000 001 110000 04 00 26 05 00000 0000 010 011 000 000101 05 04 B2 01 00000 0001 011 001 000 000001 06 00 26 07 00000 0000 010 011 000 000111 07 00 32 01 00000 0000 011 001 000 000001 1D 10 51 41 00010 0000 101 000 101 000001 11 00 24 12 0000

13、0 0000 010 000 100 010010 12 02 32 01 0000 0010 001 100 100 000001 30 00 14 04 00000 0000 001 010 000 000100 31 18 40 01 00011 0000 100 000 000 000001 32 18 30 01 00011 0000 011 000 000 000001 33 28 04 01 00101 0000 000 010 000 000001 34 00 14 06 00000 0000 001 010 000 000110 35 00 00 35 00000 0000

14、000 000 000 110101 36 28 06 01 00101 0000 000 011 000 000001 3C 00 6D 5D 00000 0000 110 110 101 011101 代碼 ;* ;/ / ; / CMA Saved File / ; / / ; / By TangDu CO.,LTD / ; / / ; /*/ ; /* Start Of Main Memory Data */ $P 00 10 $P 01 30 $P 02 20 $P 03 60 $P 04 00 $P 05 30 $P 06 10 $P 07 30 $P 08 20 $P 09 60

15、 $P 0A 40 $P 0B 30 $P 0C 70 $P 0D 6D $P 0E 97 $P 0F 9E $P 10 F7 ; /* End Of Main Memory Data */ ; /* Start Of MicroController Data */ $M 00 000001 $M 01 006D43 $M 02 102003 $M 03 107070 $M 04 002605 $M 05 063201 $M 06 002607 $M 07 004201 $M 08 280208 $M 09 183000 $M 0A 106010 $M 0B 000001 $M 0C 1030

16、01 $M 0D 200601 $M 0E 005341 $M 0F 0000CB $M 10 280401 $M 11 103001 $M 12 06B201 $M 13 002414 $M 14 05B201 $M 15 002416 $M 16 01B201 $M 17 002418 $M 18 001404 $M 19 10601A $M 1A 183001 $M 1B 280401 $M 1C 10101D $M 1D 105141 $M 1E 10601F $M 1F 101020 $M 20 10608C $M 21 03FFFF $M 22 FEFFFF $M 23 98FFF

17、F $M 24 95FFFF $M 25 56FFFF $M 26 98FFFF $M 27 02FFFF $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 001404 $M 31 183001 $M 32 184001 $M 33 280401 $M 34 001406 $M 35 000037 $M 36 280601 $M 37 000037 $M 38 001613 $M 39 001615 $M 3A 001617

18、 $M 3B 000001 $M 3C 006D5D $M 3D 006D5E $M 3E 006D68 $M 3F 006D01 ; /* End Of MicroController Data */ 第四部分整機(jī)調(diào)試 41 設(shè)計內(nèi)容 1 全面深刻地分析西安唐都科教儀器公司的TD - CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)的組 成與結(jié)構(gòu)，為設(shè)計模型計算機(jī)系統(tǒng)作準(zhǔn)備； 2. 在TD- CMA實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)平臺下完成程序的寫入、運(yùn)行、調(diào)試。 3. 連線搭建實(shí)現(xiàn)一個簡單的模型計算機(jī)，包括CPU存儲器，輸入設(shè)備和 輸出設(shè)備。其中 CPU 由運(yùn)算器（使用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD 設(shè)計實(shí)現(xiàn)） 、 微程序控制器（MC、通用寄存器，指令寄存器（IR ）、程序計數(shù)器（PC和地 址寄存器（AR組成