計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)-- 模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　報(bào) 告 書</b></p><p>　　課 題 名 模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　班 級(jí) </p><p><b>　　

2、目錄 </b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的1</b></p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)內(nèi)容1</b></p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)要求1</b></p><p>　　4 數(shù)據(jù)格式與指令系統(tǒng)2</p><p>

3、　　4.1 數(shù)據(jù)格式2</p><p>　　4.2 指令系統(tǒng)2</p><p>　　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)3</p><p>　　5.1 總的邏輯框圖：3</p><p>　　5.2 微程序控制器：4</p><p>　　5.2.1 地址轉(zhuǎn)移邏輯圖4<

4、/p><p>　　5.2.2 微程序控制器邏輯圖5</p><p>　　5.3 PC計(jì)數(shù)器7</p><p>　　5.4 時(shí)序產(chǎn)生器8</p><p>　　5.5 總的邏輯組成圖（運(yùn)算器和存儲(chǔ)器不再說明）：9</p><p>　　5.5.1 邏輯圖及波形文件9</p><p>　　5.5

5、.2 初始化數(shù)據(jù)10</p><p>　　6 微程序流程圖、代碼表12</p><p>　　6.1 微程序流程圖：12</p><p>　　6.2代碼表：13</p><p>　　7系統(tǒng)調(diào)試情況14</p><p>　　8 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)14</p><p><b>　　9

6、 參考文獻(xiàn)15</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1．融會(huì)貫通教材各章的內(nèi)容，通過知識(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。</p><p>　　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

7、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)。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　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)。</p><p>　　2．根據(jù)設(shè)計(jì)圖，在QUARTUS II環(huán)境下仿真調(diào)試成功。</p><p>　　3．在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，

8、整理出設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)文件，包括：</p><p>　?。?）總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）；</p><p>　　（2）微程序控制器邏輯圖；</p><p>　　（3）微程序流程圖；</p><p>　　（4）微程序代碼表；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)說明書及工作小結(jié)。</p><p><b&g

9、t;　　3 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　（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；</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）檢查全部指令周期的操作序

10、列，確定所需要的控制點(diǎn)和控制信號(hào)；</p><p>　?。?）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。</p><p>　　以上過程可以反復(fù)進(jìn)行，以便得到一個(gè)較好的方案。</p><p>　　4 數(shù)據(jù)格式與指令系統(tǒng)</p><p><b>　　4.1 數(shù)據(jù)格式</b></p><p&

11、gt;　　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：</p><p><b>　　4.2 指令系統(tǒng)</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用5條機(jī)器指令，其格式與功能說明如下：</p><p>　　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。</p>

12、<p>　　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。</p><p>　　STA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。</p><p>　　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)

13、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。</p><p>　　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，其功能是程序無條件轉(zhuǎn)移到第二個(gè)字指定的內(nèi)存單元地址。</p><p>　　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)</p><p>　　5.1 總的邏輯框圖：</p

14、><p>　　通過這個(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)器的部分，就可以設(shè)計(jì)好這個(gè)模型機(jī)的邏輯圖。</p><p><b>　　微控制信號(hào)說明：</b></p><p>　　nROM_BUS：ROM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。</p>&l

15、t;p>　　nRAM_BUS：RAM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。</p><p>　　m：加、減法選擇控制信號(hào)，為1做加法，為0做減法。</p><p>　　nSW_BUS：數(shù)據(jù)輸入到總線控制信號(hào)，低電平有效。</p><p>　　LDN：PC置數(shù)控制信號(hào)，低電平有效。</p><p>　　nCS：RAM片選信號(hào)。（此信號(hào)的有效

16、值根據(jù)所用RAM器件特性來定）</p><p>　　WE：RAM寫信號(hào)，高電平時(shí)做寫操作。</p><p>　　LDR0：數(shù)據(jù)打入R0鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p><p>　　LDDR1：數(shù)據(jù)打入R1鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p><p>　　LDDR2：數(shù)據(jù)打入R2鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p>&l

17、t;p>　　LDIR：數(shù)據(jù)打入IR鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p><p>　　LDPC：數(shù)據(jù)打入PC鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p><p>　　LDAR：數(shù)據(jù)打入AR控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。</p><p>　　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。</p><p>　　nPC_BUS，低電

18、平有效。</p><p>　　nR0_BUS，低電平有效。</p><p>　　以下封裝成的芯片的信號(hào)不再贅述。</p><p>　　5.2 微程序控制器：</p><p>　　5.2.1 地址轉(zhuǎn)移邏輯圖</p><p><b>　　封裝成芯片：</b></p><p>　

19、　對(duì)其生成波形文件如下：</p><p>　　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。&l

20、t;/p><p>　　5.2.2 微程序控制器邏輯圖</p><p><b>　　封裝成芯片：</b></p><p>　　對(duì)該圖進(jìn)行波形文件測(cè)試:</p><p>　　分析波形文件可以得出：通過給定指令操作碼，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)。</p>&

21、lt;p>　　5.3 PC計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　封裝成芯片：</b></p><p><b>　　對(duì)其產(chǎn)生波形文件：</b></p><p>　　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

22、數(shù)據(jù)值開始進(jìn)行+1計(jì)數(shù)。</p><p><b>　　5.4 時(shí)序產(chǎn)生器</b></p><p><b>　　封裝成芯片：</b></p><p><b>　　對(duì)其產(chǎn)生波形文件：</b></p><p>　　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

23、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。</p><p>　　5.5 總的邏輯組成圖（運(yùn)算器和存儲(chǔ)器不再說明）：</p><

24、;p>　　5.5.1 邏輯圖及波形文件</p><p><b>　　對(duì)其產(chǎn)生波形文件：</b></p><p>　　5.5.2 初始化數(shù)據(jù)</p><p>　　微指令的儲(chǔ)存情況（十六進(jìn)制表示）：</p><p>　　ROM的初始化數(shù)據(jù)（存放指令操作碼）：</p><p>　　RAM的初始化數(shù)

25、據(jù)（存放操作數(shù)地址以及操作數(shù)）：</p><p>　　5.5.3 指令的具體分析</p><p>　　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。</p><p>　　ADD指令：PC為02H，從ROM的02單元取出操作碼40H通過譯碼轉(zhuǎn)移到第10條微指令從

26、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。</p><p>　　STA指令：PC為03H，從ROM的03單元取出操作碼60H通過譯碼轉(zhuǎn)移到第11條微指令，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

27、RAM的09H地址單元中，執(zhí)行公操作。</p><p>　　OUT指令：PC為04H，從ROM的04單元取出操作碼80H通過譯碼轉(zhuǎn)移到第12條微指令，</p><p>　　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。</p><p>　　JMP指令：PC為05H，從ROM的05單

28、元取出操作碼A0H通過譯碼轉(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。</p><p>　　6 微程序流程圖、代碼表</p><p>　　6.1 微程序流程圖：</p><p><b>　　6.2代碼表：</b></p>

29、<p>　　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。01—02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J

30、MP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P1字段的控制用來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)。</p><p><b>　　7系統(tǒng)調(diào)試情況</b></p><p>　　一開始并沒有對(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

31、沒有完全理解。然后我通過對(duì)單獨(dú)的一個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行波形測(cè)試調(diào)試，通過結(jié)果分析出D觸發(fā)器各控制端的作用，并完全理解邏輯地址轉(zhuǎn)移的情況。我通過譯碼端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。</p><p>　　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

32、相同。在這一方面我也有栽過很大的跟頭。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　每次在進(jìn)行波形文件的調(diào)試的時(shí)候，要首先更新一下更改過的的MIF文件才能有作

33、用，否則是在以前的MIF文件下的生成的波形文件。</p><p>　　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。</p><p><b>　　8 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>　　在這短短的一周時(shí)間內(nèi)，我通過自己的不斷學(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

34、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)過程中我還是學(xué)習(xí)到了很多的東西。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過程中我深深地體會(huì)到看起來不難的東西其實(shí)設(shè)計(jì)起來是相當(dāng)復(fù)雜的，萬萬不能眼高手低，而且必須要有足夠的耐心才能做得好做得完美。</p><p>　　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，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題解決

35、問題，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。</p><p>　　在老師的指導(dǎo)和交流中，發(fā)現(xiàn)我的指令的儲(chǔ)存方式不對(duì)，在計(jì)算機(jī)中無法將指令的操作碼和操作數(shù)的地址放到不同的存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)

36、無法實(shí)現(xiàn)，必須把他們放到同一個(gè)存儲(chǔ)器中并且指令的操作碼和操作數(shù)要在相鄰的地址單元中。在后續(xù)的工作中我會(huì)加以改正和優(yōu)化的。</p><p>　　在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，與同學(xué)互幫互助，團(tuán)隊(duì)合作能力也是至關(guān)重要的，當(dāng)然最主要的還是自己要肯下功夫，肯花時(shí)間在這上面。</p><p><b>　　9 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 白中英.《計(jì)