计算机组成原理暑假课程设计

大学计算机科学与技术学院课程设计说明书课程：计算机系统综合课程设计院（部）：计算机科学与技术专业：计算机科学与技术班级：计科学生姓名：学号：20151110指导教师：完成日期：2018.01.19计算机系统综合课程设计说明书目录1、课程设计目的和任务................................................................................................p51.1设计任务............................................................................................................p51.2设计目的............................................................................................................p52、模拟机实验平台分析................................................................................................p52.1运算器模块........................................................................................................p52.2控制器..............................................................................................................p112.3数据通路..........................................................................................................p112.4模型计算机时序信号......................................................................................p152.5总电路框图......................................................................................................p153、指令系统设计..........................................................................................................p174、模拟机硬连线控制器设计......................................................................................p184.1硬连线控制器的基本原理..............................................................................p184.2时序电路节拍设计..........................................................................................p184.3控制台操作分析与设计..................................................................................p214.4指令设计..........................................................................................................p304.5硬连线控制器流程图......................................................................................p345、VHDL硬件描述语言设计.....................................................................................p355.1设计思想..........................................................................................................p355.2VHDL描述的输入、输出.............................................................................p355.3完整程序..........................................................................................................p355.4引脚锁定..........................................................................................................p456、测试与分析..............................................................................................................p466.1测试程序..........................................................................................................p466.2测试步骤..........................................................................................................p466.3运行结果及分析..............................................................................................p477、总结..........................................................................................................................p48计算机系统综合课程设计说明书课程设计任务书设计题目模型计算机的设计（八）已知技术参数和设计要求1、使用TEC-8实验台2、主要模块：FPGA、运算器、寄存器、数据通路、双端口存储器、总线缓冲、微程序控制、启停和时序模块。3、用硬连线控制器的方法设计控制台，要求能连续地读写寄存器，连续地读写存储器，执行指令；4、指令字长8位，高4位为操作码，固定操作码译码，低4位为寄存器寻址，完成以下指令的分析、设计，并编写测试程序；LDRd,[RS];ST[Rd],RS;INCRd;SUBRd,RsJNCADDR;JNZADDR;MOVRd,Rs；OUTRdSTP设计内容与步骤1、熟悉TEC-8实验台的FPGA、运算器、寄存器、数据通路、双端口存储器、总线缓冲等电路的功能，并结合时序分析指令各控制信号2、根据要求，设计指令系统，编写硬连线的方法设计控制器的流程图；3、利用VHDL描述语言编写控制器程序；4、下载测试控制器电路，判定控制信号是否正确；5、编写测试程序，绘制表格，记录存储器初始程序及数据；6、用实验台调试，分别用单步运行和连续运行两种方式运行测试程序，记录运行数据，并分析结果；7、编写课程设计说明书。计算机系统综合课程设计说明书指导教师（签字）：教研室主任（签字）：设计工作计划与进度安排1、调试工具4学时2、设计语言VHDL6学时3、TEC-8实验台功能模块6学时4、控制器的硬件描述10学时5、测试程序的设计10学时6、课程设计说明书6学时设计考核要求考勤20%课程设计说明书50%。成果演示30%注：每个同学内容实现方式要有差异，不能雷同，否则记0分计算机系统综合课程设计说明书1、课程设计目的和任务1.1设计任务（1）分析计算机硬件系统的各个组成部分及其作用，设计字长为8位固定操作码的指令系统。（2）利用VHDL硬件描述语言，进行硬连线控制器模型机的详细设计。（3）通过QuartusII编译下载到TEC-8实验台的在系统可编程器件CPLD中。（4）编写测试程序，在TEC-8实验台上调试运行。1.2设计目的（1）融会贯通计算机组成与体系结构课程各章教学内容，通过知识的综合运用，加深对CPU各模块工作原理及相互联系的认识。（2）掌握硬连线控制器的设计方法。（3）学习运用当代的EDA设计工具，掌握用EDA设计大规模复杂逻辑电路的方法。（4）培养科学研究能力，取得设计和调试的实践经验。2、模拟机实验平台分析2.1运算器模块在TEC-8中，执行一条微指令(或者在硬连线控制器中完成1个机器周期)需要连续的3个节拍脉冲T1、T2和T3。它们的时序关系如图1所示：计算机系统综合课程设计说明书图1机器周期与T1、T2、T3时序关系图对于运算器操作来说，在T1期间，产生2个8位参与运算的数A和B，A是被加数，B是加数；产生控制运算类型的信号M、S3、S2、S1、S0和CIN；产生控制写入Z标志寄存器的信号LDZ和控制写入C标志寄存器的信号LDC，产生将运算的数据结果送往数据总线DBUS的控制信号ABUS。这些控制信号保持到T3结束；在T2期间，根据控制信号，完成某种运算功能；在T3的上升沿，保存运算的数据结果到一个8位寄存器中，同时保存进位标志C和结果为0标志Z。计算机系统综合课程设计说明书图2运算器组成实验的电路图双端口寄存器组由1片EPM7064(U40)(图2中用虚线围起来的部分)组成，内部包含4个8位寄存器R0、R1、R2、R3，4选1选择器A，4选1选择器B和1个2-4译码器。根据信号RD1、RD0的值，4选1选择器A从4个寄存器中选择1个寄存器送往ALU的A端口。根据信号RS1、RS0的值，4选1选择器B从4个寄存器中选择1个寄存器送往ALU的B端口。2-4译码器对信号RD1、RD0进行译码，产生信号LR0、LR2、LR3、LR4，任何时刻这4个信号中只有一个为1，其它信号为0。LR3~LR0指示出被计算机系统综合课程设计说明书写的寄存器。当DRW信号为1时，如果LR0为1，则在T3的上升沿，将数据总线DBUS上的数写入R0寄存器，余类推。数据开关SD7~SD0是8个双位开关。用手拨动这些开关，能够生成需要的SD7~SD0的值。数据开关驱动器SWD是1片74LS244(U50)。在信号SBUS为1时，SD7~SD0通过SWD送往数据总线DBUS。使用数据开关SD7~SD0设置寄存器R0、R1、R2和R3的值。ALU由2片74LS181(U41和U42)、1片74LS74、1片74LS244、1片74LS245和1片74LS30构成。74LS181完成算术逻辑运算，74LS245和74LS30产生Z标志，74LS74保存标志C和标志Z。ALU对A7~A0和B7~B0上的2个8位数据进行算术逻辑运算，运算后的数据结果在信号ABUS为1时送数据总线DBU