計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào) 告 書課 題 名 模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 班 級(jí) 計(jì)123班 姓 名 流星雪雨 學(xué) 號(hào) 1213022073 指導(dǎo)教師 顧輝 日 期 2014.6.23 2014.6.27 目錄 1 設(shè)計(jì)目的12 設(shè)計(jì)內(nèi)容13 設(shè)計(jì)要求14 數(shù)據(jù)格式與指令系統(tǒng)24.1 數(shù)據(jù)格式24.2 指令系統(tǒng)25 設(shè)計(jì)原理與電路圖(包括總框圖、微程序控制器的邏輯圖、電路圖和封裝圖)35.1 總的邏輯框圖：35.2 微程序控制器：45.2.1 地址轉(zhuǎn)移邏輯圖45.2.2 微程序控制器邏輯圖55.3 PC計(jì)數(shù)器75.4 時(shí)序產(chǎn)生器85.5 總的邏輯組成圖（運(yùn)算器和存儲(chǔ)器不再

2、說(shuō)明）：95.5.1 邏輯圖及波形文件95.5.2 初始化數(shù)據(jù)106 微程序流程圖、代碼表126.1 微程序流程圖：126.2代碼表：137系統(tǒng)調(diào)試情況148 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)149 參考文獻(xiàn)151 設(shè)計(jì)目的1融會(huì)貫通教材各章的內(nèi)容，通過(guò)知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，加深計(jì)算機(jī)工作中“時(shí)間-空間”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。2學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和調(diào)試計(jì)算機(jī)的基本步驟和方法，培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力，取得工程設(shè)計(jì)和調(diào)試的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容1根據(jù)給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一臺(tái)微程序控制的模型計(jì)算機(jī)。2根據(jù)設(shè)計(jì)圖，在QUARTUS II環(huán)境下仿真調(diào)

3、試成功。3在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)文件，包括：（1）總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）；（2）微程序控制器邏輯圖；（3）微程序流程圖；（4）微程序代碼表；（5）設(shè)計(jì)說(shuō)明書及工作小結(jié)。3 設(shè)計(jì)要求（1）對(duì)指令系統(tǒng)中的各條指令進(jìn)行分析，得出所需要的占領(lǐng)周期與操作序列，以便確定各器件的類型和數(shù)量；（2）設(shè)計(jì)總框圖草圖，進(jìn)行各邏輯部件之間的互相連接，即初步確定數(shù)據(jù)通路，使得由指令系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)通路都能實(shí)現(xiàn)，并滿足技術(shù)指標(biāo)的要求；（3）檢查全部指令周期的操作序列，確定所需要的控制點(diǎn)和控制信號(hào)；（4）檢查所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通路，盡可能降低成本，簡(jiǎn)化線路，優(yōu)化性能。 以上過(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行，以便得到一個(gè)較好的方

4、案。4 數(shù)據(jù)格式與指令系統(tǒng)4.1 數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)字規(guī)定采用定點(diǎn)整數(shù)補(bǔ)碼表示法，字長(zhǎng)8位，其中最高位為符號(hào)位，其格式如下：76 5 4 3 2 1符號(hào)位尾 數(shù)4.2 指令系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用5條機(jī)器指令，其格式與功能說(shuō)明如下：7 6543210IN0 0100000ADD01000000ASTA01100000AOUT10000000AJMP10100000A IN指令為單字長(zhǎng)（字長(zhǎng)為8bits）指令，其功能是將數(shù)據(jù)開關(guān)的8位數(shù)據(jù)輸入到R0寄存器。 ADD指令為雙字長(zhǎng)指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器的內(nèi)容與內(nèi)存中地址為A的數(shù)相加，結(jié)果存放在R0寄存器中。 STA指令

5、為雙字長(zhǎng)指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器中的內(nèi)容存儲(chǔ)到以第二個(gè)字為地址的內(nèi)存單元中。 OUT指令為雙字長(zhǎng)指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將內(nèi)存中以第二個(gè)字為地址的內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)讀出到數(shù)據(jù)總線，顯示之。 JMP指令為雙字長(zhǎng)指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是程序無(wú)條件轉(zhuǎn)移到第二個(gè)字指定的內(nèi)存單元地址。5 設(shè)計(jì)原理與電路圖(包括總框圖、微程序控制器的邏輯圖、電路圖和封裝圖)5.1 總的邏輯框圖：通過(guò)這個(gè)邏輯框圖，可以看出整個(gè)模型機(jī)的設(shè)計(jì)主要是微程序控制器，PC計(jì)數(shù)器，時(shí)序產(chǎn)生器三個(gè)部分，然后再結(jié)合前面的設(shè)計(jì)好的控制器和存儲(chǔ)

6、器的部分，就可以設(shè)計(jì)好這個(gè)模型機(jī)的邏輯圖。微控制信號(hào)說(shuō)明：nROM_BUS：ROM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。nRAM_BUS：RAM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。m：加、減法選擇控制信號(hào)，為1做加法，為0做減法。nSW_BUS：數(shù)據(jù)輸入到總線控制信號(hào)，低電平有效。LDN：PC置數(shù)控制信號(hào)，低電平有效。nCS：RAM片選信號(hào)。（此信號(hào)的有效值根據(jù)所用RAM器件特性來(lái)定）WE：RAM寫信號(hào)，高電平時(shí)做寫操作。LDR0：數(shù)據(jù)打入R0鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。LDDR1：數(shù)據(jù)打入R1鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。LDDR2：數(shù)據(jù)打入R2鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。LDIR：數(shù)據(jù)打

7、入IR鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。LDPC：數(shù)據(jù)打入PC鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。LDAR：數(shù)據(jù)打入AR控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。nALU_BUS：運(yùn)算器ALU結(jié)果輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。nPC_BUS，低電平有效。nR0_BUS，低電平有效。以下封裝成的芯片的信號(hào)不再贅述。5.2 微程序控制器：5.2.1 地址轉(zhuǎn)移邏輯圖封裝成芯片：對(duì)其生成波形文件如下：由波形文件可以總結(jié)看出clr是總的清零端，當(dāng)其為零時(shí)輸出始終為0，當(dāng)其為1時(shí)，邏輯地址轉(zhuǎn)移器正常工作，T2，T4為脈沖控制端，上升沿有效。當(dāng)PRN的控制端為1時(shí)，輸入等于輸出，當(dāng)PRN的控制端為0時(shí)，輸出始終為1，p1端則是指令

8、的譯碼端，當(dāng)其為1時(shí)，指令產(chǎn)生譯碼，根據(jù)指令的操作碼來(lái)確定指令執(zhí)行的第一條微指令的地址。當(dāng)p1端為0時(shí)不譯碼，直接指向下一條微指令的地址。5.2.2 微程序控制器邏輯圖封裝成芯片：對(duì)該圖進(jìn)行波形文件測(cè)試:分析波形文件可以得出：通過(guò)給定指令操作碼，可以看出我設(shè)計(jì)的微指令的微命令信號(hào)的情況。之后的總得電路圖不再顯示每條指令的微命令信號(hào)。5.3 PC計(jì)數(shù)器封裝成芯片：對(duì)其產(chǎn)生波形文件：分析該波形文件可以得出:LDPC是計(jì)數(shù)端，默認(rèn)從00開始計(jì)數(shù)，每次經(jīng)過(guò)CLK的上升沿脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行+1操作。LDN為置數(shù)控制端，當(dāng)其為1時(shí)，計(jì)數(shù)器將從設(shè)置的數(shù)據(jù)值開始進(jìn)行+1計(jì)數(shù)。5.4 時(shí)序產(chǎn)生器封裝成芯片：對(duì)其產(chǎn)生

9、波形文件：分析波形文件可以得出：當(dāng)控制端startup為0時(shí)，stop為0或者1時(shí)都會(huì)產(chǎn)生正確的時(shí)序電路，產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)對(duì)通路的部件加以控制，以避免單總線上各個(gè)部件之間數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突，一個(gè)CPU周期包含4個(gè)時(shí)鐘脈沖，四個(gè)時(shí)鐘脈沖依次產(chǎn)生。一條微指令如果需要同時(shí)使用兩個(gè)或以上的脈沖信號(hào)時(shí)，一定要注意脈沖信號(hào)的產(chǎn)生的先后順序。當(dāng)控制端startup為1時(shí)，stop為0時(shí)，則會(huì)停止脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。5.5 總的邏輯組成圖（運(yùn)算器和存儲(chǔ)器不再說(shuō)明）：5.5.1 邏輯圖及波形文件對(duì)其產(chǎn)生波形文件：5.5.2 初始化數(shù)據(jù)微指令的儲(chǔ)存情況（十六進(jìn)制表示）：ROM的初始化數(shù)據(jù)（存放指令操作碼）：RAM的初始化數(shù)

10、據(jù)（存放操作數(shù)地址以及操作數(shù)）：5.5.3 指令的具體分析IN指令：PC計(jì)數(shù)器+1，此時(shí)為01，執(zhí)行第01條微指令，從ROM中取出操作碼20H通過(guò)P字段譯碼轉(zhuǎn)到第09條微指令,將輸入的數(shù)據(jù)送到R0中，執(zhí)行公操作。ADD指令：PC為02H，從ROM的02單元取出操作碼40H通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)移到第10條微指令從RAM的02H單元取出操作數(shù)的地址08H送到AR寄存器，接著第3條微指令從RAM的08單元取出操作數(shù)13H送到DR1，執(zhí)行第四條微指令將R0寄存器中的數(shù)送到DR2，執(zhí)行第5條微指令將和數(shù)送到R0，執(zhí)行公操作。STA指令：PC為03H，從ROM的03單元取出操作碼60H通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)移到第11條微指令，

11、從RAM的03H單元中取出操作數(shù)地址09H，送到寄存器AR，執(zhí)行第6條微指令將R0中的數(shù)據(jù)存放到RAM的09H地址單元中，執(zhí)行公操作。OUT指令：PC為04H，從ROM的04單元取出操作碼80H通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)移到第12條微指令，從RAM的04H單元中取出操作數(shù)地址09H，送到寄存器AR，執(zhí)行第7條微指令將RAM的09H地址單元的數(shù)輸出到總線上去，執(zhí)行公操作。JMP指令：PC為05H，從ROM的05單元取出操作碼A0H通過(guò)譯碼轉(zhuǎn)移到第13條微指令，從RAM的05H單元中取出操作數(shù)地址0AH，送到寄存器AR，執(zhí)行第8條微指令將PC計(jì)數(shù)器的值置數(shù)為0AH單元的數(shù)值01，執(zhí)行公操作。6 微程序流程圖、代碼

12、表6.1 微程序流程圖：6.2代碼表：微指令地址nROM_BUSnRAM_BUSmnSW_BUS LDNnCSWELDR0LDDR1LDDR2LDIRLDPCLDARnALU_BUSnPC_BUSnR0_BUSP1ad4ad3ad2ad1ad02120191817161514131211109876543210000000000000100000000011000000000001101000001021000000000100000101000301000100100000000001004000000000100000100010150000000100000100000001600000

13、11000000001000001701000100000000000000018010011000001000000000190001000100000000000001100100010000001000000011110100010000001000000110120000010000001000000111130000010000001000000100微指令分析：其中00微指令是默認(rèn)開始的，從儲(chǔ)存器中取出第一條微指令。0102表示的是公操作指令，就是從ROM中取出每條指令的操作碼，P1字段為1，進(jìn)行譯碼操作，找到對(duì)應(yīng)的微指令的地址。每次都是讓其跳轉(zhuǎn)到第八條指令的后面去尋找正確的微指令

14、地址。第9條表示的是IN指令的微指令，第10,3,4,5表示的是ADD指令的微指令，第11,6表示的是STA指令的微指令，第12,7表示的是OUT指令的微指令，第13,8表示的是JMP指令的微指令，其中JMP指令對(duì)PC計(jì)數(shù)器進(jìn)行置數(shù)，使其模型機(jī)轉(zhuǎn)移到IN指令如此循環(huán)的執(zhí)行。每一條微指令的后5位通過(guò)P1字段的控制用來(lái)指示下一條微指令的地址，其他各個(gè)數(shù)據(jù)位相應(yīng)的各個(gè)器件的控制信號(hào)。7系統(tǒng)調(diào)試情況(1） 一開始并沒(méi)有對(duì)D觸發(fā)器有很深刻的認(rèn)識(shí)，所以對(duì)其的控制端的作用不是很了解，以致對(duì)整個(gè)地址邏輯轉(zhuǎn)移圖沒(méi)有完全理解。然后我通過(guò)對(duì)單獨(dú)的一個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行波形測(cè)試調(diào)試，通過(guò)結(jié)果分析出D觸發(fā)器各控制端的作用，并

15、完全理解邏輯地址轉(zhuǎn)移的情況。我通過(guò)譯碼端P字段讓指令操作碼與普通邏輯地址0100B進(jìn)行譯碼得出新的邏輯地址，方便微指令的執(zhí)行。(2） 對(duì)于在畫邏輯電路圖時(shí)，一定要注意，如果要用總線對(duì)相同類型的控制端進(jìn)行集合，總線的命名一定要和集合中的相同，而且屬于同一個(gè)總線的命名一定要一致，不同的總線的命名一定不能相同。在這一方面我也有栽過(guò)很大的跟頭。(3） 在設(shè)計(jì)微指令的時(shí)候，如果一條微指令使用了不同的時(shí)鐘脈沖，一定有注意時(shí)鐘脈沖的先后關(guān)系。(4） 在創(chuàng)建MIF文件時(shí)一定要注意地址單元和數(shù)據(jù)單元的進(jìn)制位，不能搞混，要在正確的地址單元中寫入正確的數(shù)據(jù)值。(5） 每次在進(jìn)行波形文件的調(diào)試的時(shí)候，要首先更新一下更

16、改過(guò)的的MIF文件才能有作用，否則是在以前的MIF文件下的生成的波形文件。(6） 在PC計(jì)數(shù)器中要注意每次計(jì)數(shù)和置數(shù)的條件，以及時(shí)鐘脈沖的設(shè)置。在這里我還是弄得不太明白，還需要進(jìn)一步的了解和研究。8 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)在這短短的一周時(shí)間內(nèi)，我通過(guò)自己的不斷學(xué)習(xí)和在老師的指導(dǎo)與同學(xué)的幫助下，終于成功的完成了這個(gè)課程設(shè)計(jì)，雖然時(shí)間很緊張，但是在這個(gè)過(guò)程中我還是學(xué)習(xí)到了很多的東西。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我深深地體會(huì)到看起來(lái)不難的東西其實(shí)設(shè)計(jì)起來(lái)是相當(dāng)復(fù)雜的，萬(wàn)萬(wàn)不能眼高手低，而且必須要有足夠的耐心才能做得好做得完美。由于時(shí)間有限，我只是按照課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)出了5條指令。而且指令設(shè)計(jì)的淺顯易懂，在之后有興趣的話我會(huì)設(shè)計(jì)出多的指令出來(lái)，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理做更深的了解和研究。我在設(shè)計(jì)的過(guò)程中將指令的操作碼放到了ROM的存儲(chǔ)器中，將指令的操作數(shù)地址和數(shù)據(jù)值放到了RAM的存儲(chǔ)器中，這樣可以方便分析和各項(xiàng)操作的正確進(jìn)行，可是不利于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)工作。在后續(xù)的工作中，可以考慮把他們放在一起，這樣就更加結(jié)合實(shí)際需要。在