組成原理8位模型機的設(shè)計

1、計算機組成原理課程設(shè)計報告題目8位模型計算機的設(shè)計姓名學(xué)號班號指導(dǎo)老師成績191. 課程設(shè)計目的（1） 、計算機組成原理課程設(shè)計的主要任務(wù)是讓學(xué)生通過動腦和動手解決計算機設(shè)計中的實際問題。綜合運用所學(xué)計算機組成原理知識，在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺基本的模型計算機，掌握整機概念，并設(shè)計機器指令系統(tǒng)，編寫程序，在所設(shè)計的模型計算機上調(diào)試運行。（2） 、通過一臺模型機的設(shè)計過程，明確計算機的控制原理與控制過程，鞏固和靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識，掌握計算機組成的一般設(shè)計方法，提高學(xué)生設(shè)計能力和實踐操作技能，為從事計算機研制與設(shè)計打下基礎(chǔ)。2. 開發(fā)工具選擇以TEC-CA教學(xué)

2、實驗系統(tǒng)為平臺，采用硬件描述語言VHDL為設(shè)計工具，應(yīng)用QUARTUS環(huán)境進行大規(guī)模集成電路的功能設(shè)計仿真。3. 方案選擇實習(xí)的內(nèi)容為八位模型計算機的設(shè)計，為單總線，微程序控制方式，設(shè)置兩種尋址方式：直接尋址（“0”）和寄存器尋址（“1”）。微程序控制方式由微指令譯碼產(chǎn)生。微程序中一條機器指令往往分成幾步執(zhí)行，將每一步操作所需的若干為命令以代碼編寫在一條微指令中，若干條微指令組成一段微程序，對應(yīng)一條機器指令。然后根據(jù)系統(tǒng)的需要，事先編制各段微程序，將它存入控制存儲器（CM中。微程序執(zhí)行過程：（ 1）從控存中逐條取出“取指令操作”，執(zhí)行取指令公共操作。（ 2）根據(jù)指令的操作碼，經(jīng)過微地址形成部件

3、，得到這條指令的入口地址，并送入微地址寄存器中。（ 3）從控存中逐條的取出對應(yīng)的微指令并執(zhí)行。（ 4）執(zhí)行完一條機器指令對應(yīng)的微程序后又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第（1）步，以完成取下一條機器指令的公共操作。微程序控制基本框圖：圖1微程序控制基本框4.指令系統(tǒng)設(shè)計sta, add, sub, andl, jmp, shl, nop。所要設(shè)計的微程序控制器是由七條指令來完成的，即:實現(xiàn)功能分別如下：sta指令實現(xiàn)存操作；add指令實現(xiàn)加法操作；sub指令實現(xiàn)減法操作；andl指令實現(xiàn)與操作；jmp指令實現(xiàn)無條件跳轉(zhuǎn)操作；shl指令實現(xiàn)邏輯左移操作；nop指令實現(xiàn)空操作。操作碼尋址方式標志位7

4、5410圖2指令格式模擬機采用了定長的指令格式，每條指令字長為8位。采用的尋址方式為直接尋址和寄存器尋址，標志位為“0”時為直接尋址，為“1”時為寄存器尋址。操作碼類型及編碼方式如下：操作碼staaddsuband1jmpshlnop編碼方式000001010011100101110含義傳送加減與跳轉(zhuǎn)邏輯左移空表1指令列表5 .模型機框圖設(shè)計ALU ,以及程序計數(shù)器模擬機數(shù)據(jù)通路如下圖所示，模型機采用單總線結(jié)構(gòu)，主要包括運部件PC、累加器ACC、指令寄存器內(nèi)存。IR、數(shù)據(jù)寄存器 MDR、地址寄存器 MAR和通用寄存器 R, RAM為圖2模擬機數(shù)據(jù)通路(1)寄存器的位數(shù)所有的寄存器都均為8位：

5、通用寄存器Ro該模擬機有1個通用寄存器，用于寄存器尋址時存放結(jié)果，提供操作數(shù)。 指令寄存器IR。為了提高取指令的速度，將指令從內(nèi)存中讀出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線直接置入IR。 數(shù)據(jù)寄存器MDR、地址寄存器MARo地址寄存器MAR提供訪問主存的地址；數(shù)據(jù)寄存器MDR,把從內(nèi)存取出的數(shù)據(jù)暫存于MDR中，在用到該數(shù)據(jù)進行運算時，再從MDR中取出數(shù)據(jù)進行運算。微212019181716151413121110987654-0地alu_reg_loadacc_loadpc_loaloadmdralu_alu_incaddrcsr_alu_alu_下址址srlbus_pcbus_accbusd_ir_mar_busa

6、ndacc_pc_busnwaddsub字段程序計數(shù)器PC。用于存放下一條指令的內(nèi)存地址。(2)總線寬度：該模擬機只有一條總線，且總線寬度為8位。(3)ALU位數(shù)及運算功能ALU可以實現(xiàn)8位操作數(shù)的運算，即ALU的位數(shù)為8位。ALU運算功能為：力口（001:add）、減（010:sub）、邏輯與（011:and）、左移（101:shl）、跳轉(zhuǎn)（100:jmp）、空（110:nop）。（4）微命令的設(shè)置（各標識的含義）6 .指令流程圖指令的流程圖如圖3所示，共有8條指令，每條指令都要經(jīng)過取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個步驟。在取指令階段，8條指令是一樣的，首先程序計數(shù)器PC的內(nèi)容通過總線送入地址寄

7、存器MAR,存儲信息，PC+1傳送給PC,把讀出的內(nèi)容傳送給指令寄存器IR。再接下來的操作中，7 .微指令格式（微程序控制器）設(shè)計微指令格式設(shè)計如表1：控制信號描述ACC_bus用ACC的內(nèi)容驅(qū)動總線load_ACC將總線上的數(shù)據(jù)載入ACCPC_bus用PC的內(nèi)容驅(qū)動總線load_IR將總線上的數(shù)據(jù)裝載至IRload_MAR將總線上的數(shù)據(jù)裝載至MARMDR_bus用MDR的內(nèi)容驅(qū)動總線ALU_ACC用ALU的結(jié)果裝載ACCINC_PCPC+1并將結(jié)果存至PC中Addr_bus用IR指令中的地址部分驅(qū)動總線CS片選。用MAR的內(nèi)容設(shè)置存儲器地址R_NW讀取，/、可寫。當R_NW匕效且CS有效時，

8、MBR勺內(nèi)容存儲吁存儲器中Reg_bus用寄存器R的內(nèi)容驅(qū)動總線load_Reg將總線上的數(shù)據(jù)裝載至RALU_ADD在ALU中執(zhí)行邏輯加操作ALU_SUB在ALU中執(zhí)行減操作ALU_AND在ALU中執(zhí)行與操作ALU_SHL在ALU中執(zhí)行左移操作表2微指令格式8 .微程序（微程序控制器）設(shè)計根據(jù)微處理器的數(shù)據(jù)通路和指令系統(tǒng)，可得出微程序的流程圖如圖4所示。微程序的編碼采用直接編碼方法，每一個控制信號對應(yīng)一位，共有17個控制信號，根據(jù)微指令格式把相關(guān)的控制信號整合到一起進行編碼。微程序流程圖的下地址，可知共有25條微指令，表2給出了該模擬機微程序的編碼。地址3的下地址，應(yīng)該根據(jù)指令操作碼來和尋址方

9、式形成，所以將其下地址設(shè)為11111,表示如果下地址為11111時，且尋址方式標志位為0（即立即尋址），則下地址應(yīng)為01&指令的操作碼，若尋址方式標志位為1（即寄存器尋址），則下地址應(yīng)為10&指令的操作碼。圖4微程序流程圖該模擬機微程序的編碼如下0=>0000000011=>000000000000002=>0000000113=>0000000114=>000000000000005=>000000000000016=>0000000007=>0000000008=>00000000000000000110119=>

10、000000000000000001110010=>000000000000000001001011=>000000000000000001010012=>000000000000000001011013=>000000000000000001100114=>0000000000000015=>0000000000000116=>00000000017=>00100000018=>0000000000000119=>00000000020=>0000000000000121=>00000000022=>0000000

11、000000123=>00000000024=>000000000000000000000025=>0000000009.VHDL實現(xiàn)頭文件如下：LIBRARYIEEE;USEcpu_defsISTYPEopcodeIS(sta,add,sub,and1,jmp,shl,nop);CONSTANTword_w:NATURAL:=8;CONSTANTop_w:NATURAL:=3;CONSTANTrfill:STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1downto0):=(others=>'0');- -FUNCTIOnslv2op(slv:INSTD_

12、LOGIC_VECTOR)RETURNopcode;FUNCTIONop2slv(op:inopcode)RETURNSTD_LOGIC_VECTOR;ENDPACKAGEcpu_defs;PACKAGEBODYcpu_defsISTYPEoptableISARRAY(opcode)OFSTD_LOGIC_VECTOR(op_w-1DOWNTO0);CONSTANTtrans_table:optable:=("000","001","010","011","100","101"

13、;,"110");FUNCTIONop2slv(op:INopcode)RETURNSTD_LOGIC_VECTORISBEGINRETURNtrans_table(op);ENDFUNCTIONop2slv;- -functionslv2op(slv:instd_logic_vector)returnopcodeis- -variabletransop:opcode;- -begin- -foriinopcodeloop- -ifslv=trans_table(i)then- -transop:=i;- -endif;- -endloop;- -returntransop

14、;- -endfunctionslv2op;ENDPACKAGEBODYcpu_defs;源程序如下：LIBRARYIEEE;USECPUISPORT(clock:INSTD_LOGIC;reset:INSTD_LOGIC;mode:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);mem_addr:INUNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0);output:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);data_r_out:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(21DOWNTO0);op_out:OUTSTD_LOGIC_VECTOR

15、(op_w-1DOWNTO0);add_r_out:OUTUNSIGNED(4DOWNTO0);ENDENTITY;ARCHITECTURErtlOFCPUISTYPEmem_arrayISARRAY(0TO2*(word_w-op_w)-1)OFSTD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO 0);SIGNALmem: mem_array;CONSTANTprog:mem_array:=(0=>op2slv(sta)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(9,word_w-op_w-1)&'0',1=>op2sl

16、v(sta)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(10,word_w-op_w-1)&'1',2=>op2slv(add)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(9,word_w-op_w-1)&'1',3=>op2slv(sub)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(10,word_w-op_w-1)&'0',4=>op2slv(and1)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(10,wo

17、rd_w-op_w-1)&'0',5=>op2slv(shl)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(10,word_w-op_w-1)&'0',6=>op2slv(nop)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(9,word_w-op_w-1)&'0',7=>op2slv(sta)&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(11,word_w-op_w-1)&'0',8=>op2slv(jmp)

18、&STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(12,word_w-op_w-1)&'0',9=>STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(2,word_w),10=>STD_LOGIC_VECTOR(TO_UNSIGNED(3,word_w),OTHERS=>(OTHERS=>'0');TYPEmicrocode_arrayISARRAY(0TO25)OFSTD_LOGIC_VECTOR(21DOWNTO0);CONSTANTcode:microcode_array:=(0=>"

19、;000000001",1=>"00000000000000",2=>"000000011",3=>"000000011",4=>"00000000000000",5=>"00000000000001",6=>"000000000",7=>"000000000",8=>"0000000000000000011011",9=>"0000000000000000011

20、100",10=>"0000000000000000010010",11=>"0000000000000000010100",12=>"0000000000000000010110",13=>"0000000000000000011001",14=>"00000000000000",15=>"00000000000001",16=>"000000000",17=>"001000000&qu

21、ot;,18=>"00000000000001",19=>"000000000",20=>"00000000000001",21=>"000000000",22=>"00000000000001",23=>"000000000",24=>"0000000000000000000000",25=>"000000000");SIGNAL countUNSIGNED(word_w-op_w-1D

22、OWNTO0);SIGNALopSIGNALz_flagSIGNALmdr_outSIGNALmar_outSIGNALIR_outSIGNALacc_out:STD_LOGIC_VECTOR(op_w-1DOWNTO0);:STD_LOGIC;:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);:UNSIGNED(word_w-op_w-1DOWNTO0);:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0);SIGNALsysbus_out:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO

23、0);BEGINPROCESS(reset,clock)VARIABLEinstr_reg:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);VARIABLEacc:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0);CONSTANTzero:UNSIGNED(word_w-1DOWNTO0):=(OTHERS=>'0');VARIABLEmdr:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);VARIABLEreg:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);VARIABLEmar:UNSIGNED(word

24、_w-op_w-1DOWNTO0);VARIABLEsysbus:STD_LOGIC_VECTOR(word_w-1DOWNTO0);VARIABLEmicrocode:microcode_array;VARIABLEadd_rVARIABLEdata_rVARIABLEtempBEGIN:UNSIGNED(4DOWNTO0);:STD_LOGIC_VECTOR(21DOWNTO0);:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);IFreset='0'THENadd_r:=(OTHERS=>'0');count<=(OTHERS=>&

25、#39;0');instr_reg:=(OTHERS=>'0');acc:=(OTHERS=>'0');mdr:=(OTHERS=>'0');reg:=(OTHERS=>'0');mar:=(OTHERS=>'0');z_flag<='0'mem<=prog;sysbus:=(OTHERS=>'0');ELSIFRISING_EDGE(clock)THEN-microprogramcontrollerdata_r:=code(T

26、O_INTEGER(add_r);IFdata_r(4DOWNTO0)="11111"THEN-判斷下地址temp:="01"&op(2DOWNTO0);add_r:=UNSIGNED(temp);ELSIFdata_r(4DOWNTO0)="11011"THENIFIR_out(0)='1'THENadd_r:="00101"ELSEadd_r:="00100"ENDIF;ELSIFdata_r(4DOWNTO0)="11100"THENIFIR_o

27、ut(0)='1'THENadd_r:="10001"ELSEadd_r:="01111"ENDIF;ELSIFdata_r(4DOWNTO0)="11101"THENIFz_flag='1'THENadd_r:="10111"ELSEadd_r:="11000"ENDIF;ELSEadd_r:=UNSIGNED(data_r(4DOWNTO0);ENDIF;data_r_out<=data_r;add_r_out<=add_r;-PCIFdata_r

28、(16)='1'THEN-PC_bus='1'sysbus:=rfill&STD_LOGIC_VECTOR(count);ENDIF;IFdata_r(19)='1'THEN-load_PC='1'count<=UNSIGNED(mdr(word_w-op_w-1DOWNTO0);ELSIFdata_r(10)='1'THEN-INC_PC='1'count<=count+1;ELSEcount<=count;ENDIF;-IRIFdata_r(15)='1'

29、;THEN-load_IRinstr_reg:=mdr;ENDIF;IFdata_r(9)='1'THEN-Addr_bus='1'sysbus:='0'&rfill&instr_reg(word_w-op_w-1DOWNTO1);ENDIF;op<=instr_reg(word_w-1DOWNTOword_w-op_w);IR_out<=instr_reg;op_out<=op;-ALUIFdata_r(18)='1'THEN-ACC_bus='1'sysbus:=STD_LOG

30、IC_VECTOR(acc);ENDIF;IFdata_r(20)='1'THEN-REG_bus='1'sysbus:=STD_LOGIC_VECTOR(reg);ENDIF;IFdata_r(17)='1'THEN-load_ACC='1'acc:=UNSIGNED(mdr);ENDIF;IFdata_r(13)='1'THEN-MDR_bus='1'sysbus:=mdr;ENDIF;IFIR_out(0)='0'THENIFdata_r(11)='1'THEN

31、-ALU_ACC='1'IFdata_r(6)='1'THEN-ALU_add='1'acc:=acc+UNSIGNED(mdr);ELSIFdata_r(5)='1'THEN-ALU_sub='1'acc:=acc-UNSIGNED(mdr);ELSIFdata_r(12)='1'THEN-ALU_and='1'acc:=accandUNSIGNED(mdr);ELSIFdata_r(21)='1'THEN-ALU_srl='1'acc:=acc(w

32、ord_w-1-1DOWNTO0)&'0'ENDIF;ENDIF;ELSEIFdata_r(11)='1'THEN-ALU_ACC='1'IFdata_r(6)='1'THEN-ALU_add='1'acc:=acc+UNSIGNED(reg);ELSIFdata_r(12)='1'THEN-ALU_and='1'acc:=accandUNSIGNED(reg);ELSIFdata_r(21)='1'THEN-ALU_srl='1'acc:=a

33、cc(word_w-1-1DOWNTO0)&'0'ENDIF;ENDIF;ENDIF;IFacc=zeroTHENz_flag<='1'ELSEz_flag<='0'ENDIF;acc_out<=acc;-RAMIFdata_r(14)='1'THEN-load_MAR='1'mar:=UNSIGNED(sysbus(word_w-op_w-1DOWNTO0);-load_MDR='1'-load_REG='1'-CS='1'-R_NW=&#

34、39;1'ELSIFdata_r(12)='1'THENmdr:=sysbus;ELSIFdata_r(18)='1'THENreg:=sysbus;ELSIFdata_r(8)='1'THENIFdata_r(7)='1'THENmdr:=mem(TO_INTEGER(mar);ELSEmem(TO_INTEGER(mar)<=mdr;ENDIF;ENDIF;mdr_out<=mdr;mar_out<=mar;ENDIF;sysbus_out<=sysbus;ENDPROCESS;PROCESS(

35、mode,mem_addr)BEGIN- -mode=0->sysbus- -mode=1->PC- -mode=2->resultofALU- -mode=3->IR- -mode=4->MAR- -mode=5->MDR- -mode=6->memoutput<=(OTHERS=>'0');CASEmodeisWHEN"000"=>output<=sysbus_out;WHEN"001"=>output(word_w-op_w-1DOWNTO0)<=STD_

36、LOGIC_VECTOR(count);WHEN"010"=>output<=STD_LOGIC_VECTOR(acc_out);WHEN"011"=>output<=IR_out;WHEN"100"=>output(word_w-op_w-1DOWNTO0)<=STD_LOGIC_VECTOR(mar_out);WHEN"101"=>output<=mdr_out;WHEN"110"=>output<=mem(TO_INTEGER(m

37、em_addr);WHENothers=>output<=(OTHERS=>'Z');ENDCASE;ENDPROCESS;ENDARCHITECTURE;10 .調(diào)試仿真add_r_out下地址的輸出端，clock為時鐘脈沖，data_r_out為微指令的輸出，mem_addr為內(nèi)存地址的輸入，mode為輸出模式的選擇，op_out為操作碼的輸出，output結(jié)果的輸出，根據(jù)模式?jīng)Q定，reset復(fù)位信號，1. mode的值為010,則output中輸出為acc中的內(nèi)容：STA指令：把9號單元的數(shù)據(jù)放到acc中，把10號單元的數(shù)據(jù)放入寄存器中。此時acc值為2

38、,寄存器的值為3,仿真圖并不顯示。號工an *n_*d.drrald_±_outd.i.也 r outp.gES 國 國F1 國 Id?0 0 » HU.D ns 4U.Li nc LUO D m tlC D ns 120.0 u 130.a nc 140 Q u 15D 0 he l&O.O nt 1T0.D iIii!riTV ：3父可 LR1 Y 固 X si LilX 因 * 廣 LH- 1旭北劃二商mJ耐油面團注教打。取口,切二RXI電：面或垣口附慎匚巾inZ仿真圖1STA指令A(yù)DD指令:的數(shù)據(jù)為5。9號單元的數(shù)據(jù)放到acc,并與寄存器中的數(shù)據(jù)相加，把結(jié)果

39、放到acc中,acc中alt四Big神與司4533國下國1Jmsii.addi'rnaLaJ.i_r_c-utdat通M190.0200.0m劃04土120.0a2SO.OX2S0.0n二_rL_J-1_J_1-J_J_L_J_1-Uio恒1I_x_w1XW20。,<附201口嘰鼻：1J回工機11歷口仁士.刈二1日1口口寸田：1*二口11汨陽關(guān)|：打口工LIR口口311”；,匚后口二中四日1311FQ111X2C仿真圖2ADD指令SUB指令:acc中的數(shù)據(jù)與10號單元的數(shù)據(jù)想減，結(jié)果放到acc中。acc中數(shù)據(jù)為2。elflClrI七”1IIW_-E.JdsMi0riitaur_o

40、at口A.QBtg燈中tAND指令:JJCL'M珈UIErLZrnZZM1_11_L_J1_|1_J_1L_JLJ-1TDLSI【1E0%口司父可：；0】X-r.-trii-j-r5，riVr«-in.trt-"r，r日X131；（UJj二X型】X川也I忙廠r1rs-1-,UItsJMU.rr«sFWTT1T?：TimnwE用工匚存幻-正匚1家而函Ki步而荷加-尸口福匚*門1市亍冷一工.JC二回X-lIIII時！I仿真圖3SUB指令acc中的數(shù)據(jù)與10號單元的數(shù)據(jù)相與，結(jié)果放到acc中。acc中數(shù)據(jù)為2。Nf口0-14«k1>LHSinTn

41、_2d江E>0“a型HL2國ill_r_crat&LS出證41田op.Mt粉453口aiput31a.0320.0n=G30.JL列b&H=3M.0EBO.O3tE37D.0,工380.0m350,0皿40031LO.OII>IIJ_11_1_1_r_I-1_H:0d回.：T1卜-田:JX_L一腳J叼1L世Li但口而日!江山1小工伸向|工汪印】口mi；-口：1JUU4號L2U8I：舊二門注口口即:：|1%._、門1WUJUlS仿真圖4AND指令SHL指令：acc中的數(shù)據(jù)邏輯左移一位，空位補0,結(jié)果放入acc中。acc中數(shù)據(jù)為4.mp血wmpm血pE川f"4mpMM,mpMWfH皿口MWFuEmp門中。kresetklnelli_bddlS田aJd_r_out田ittaroutS”.Qlt國PW-tpt仿真圖5SHL指令NOP指令：此操作為空操作，對acc中數(shù)據(jù)無影響。