八位模型机课设1

计算机组成与机构课程设计课程设计说明书课程设计名称：计算机组成与结构课程设计课程设计题目：8位基本模型机设计学院名称：信息工程学院专业：班级：学号：姓名：评分：教师：2012年1月1日计算机组成与机构课程设计1摘要FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。特别是随着VHDL等硬件描述语言综合工具功能和性能的提高,计算机中许多重要的元件,甚至是CPU都用硬件描述语言来设计和表达。本文结合计算机组成原理的基本理论,利用EDA技术和FPGA技术设计并实现一个8位模型计算机。主要包括ALU、微程序控制器、时序产生电路、数据通路、存储器、指令系统等的设计。通过对各关键部件进行单元和集成仿真测试后,下载到目标芯片里,最终形成一个功能较为完整的片上模型计算机系统。关键字：FPGA、模型机、微程序控制、Quartus-Ⅱ计算机组成与机构课程设计前言经过前期数字逻辑、电路分析、计算机组成与结构等课程的学习，基本掌握了现代计算机的基本组成结构和工作原理。通过本次课程设计，将理论知识应用到实际生活中。通过对模型机的设计和实现，理论与实践的相结合，锻炼了学生运用所学知识解决时间问题的能力，也增加了学生学习的兴趣与动力。随着现代EDA（ElectronicDesignAutomation）技术的发展，计算机的设计跨越了传统软件和硬件的鸿沟。利用可编程逻辑器件PLD（programmablelogicdevice)技术，技术人员采用软件编程的方法来实现用户的需求。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必专门的芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片。计算机的核心部件CPU通常包含运算器和控制器两大部分。组成CPU的基本部件有运算部件、寄存器组、微命令产生部件和时序系统等。这些部件通过CPU内部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。其中，运算部件和一部分寄存器属于运算器部分；另一部分寄存器、微命令产生部件和时序系统等则属于控制器部分。模型计算机的设计过程，包括通过内部总线连接各基本功能单元模块构成数据通路，用微指令设计计算机指令系统的。计算机组成与机构课程设计1目录第一章设计内容及要求.........................................................................11.1设计任务..............................................................................................11.2设计要求..............................................................................................1第二章系统组成及工作原理................................................................22.1系统组成..............................................................................................22.2工作原理..............................................................................................2第三章系统设计....................................................................................73.1CPU顶层设计........................................................................................73.2取指令和指令译码................................................................................83.3设计微代码表.......................................................................................103.4建立数据通路.......................................................................................113.5控制执行单元......................................................................................12第四章系统调试和分析......................................................................134.1模型机的软件执行..............................................................................134.2模型CPU的硬件仿真........................................................................14第五章心得体会..................................................................................17第六章参考文献..................................................................................18第三章附录........................................................................................19计算机组成与机构课程设计2第一章设计内容及要求1.1设计任务（1）定义五条机器指令，并编写响应的微程序作为模型计算机的控制器；（2）使用电路框图设计模型计算机电路，并下载编程芯片为定制的简单模型CPU；（3）在实验系统上连接输入按键和输出显示为输出的模型计算机系统。1.2设计要求(1)深入理解基本模型计算机的功能和组成知识；(2)深入学习计算机各类典型指令的执行流程；(3)学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法；(4)掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表；(5)在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。计算机组成与机构课程设计3第二章系统组成及工作原理2.1系统组成该模型机主要由算术逻辑单元ALU,数据暂存寄存器DR0、DR1,数据寄存器R0~R2,程序计数器PC,地址寄存器AR,程序/数据存储器MEMORAY,指令寄存器IR,微控制器C,输入单元INPUT和输出单元OUTPUT所组成。如其功能模块框图2-1所示。图中虚线框内部分包括运算器、控制器、程序存储器、数据存储器和微程序存储器等，实测时，它们都可以在单片FPGA中实现。虚线框外部分主要是输入/输出装置，包括键盘、数码管、LCD显示器等，用于向CPU输入数据，或CPU向外输出数据，以及观察CPU内部工作情况及运算结果。图2-1�模型机的逻辑结构2.2工作原理本模型能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。模型中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。（1）指令系统计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系。指令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构计算机组成与机构课程设计4来支持。因此在设计CPU时，首先要明确机器硬件应具有哪些功能，然后根据这些功能来设置相应指令，包括确定所采用的指令格式、所选择的寻址方式和所需要的指令类型。模型机指令系统中包含有五条基本指令，分为算术运算指令、存／取指令和控制转移指令等三种类型。其功能如表5-2所示。五条机器指令分别是：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）如表2.1所示。表2.1模型机指令系统及其指令编码形式助记符操作码addr地址码功能描述IN00H“INPUT”→R0，键盘输入数据ADDaddr10HXXHR0+[addr]→R0STAaddr20HXXHR0→[addr]OUTaddr30HXXHBUS→“OUTPUT”，显示输出数据JMPaddr40HXXHaddr→PC指令分单字节和双字节，单字节指令只有IN一条，其余都是双字节指令。指令各式如表2.2和表2.3表2.2单字节指令格式76543210操作码源寄存器目的寄存器表2.3双字节指令格式7654321076543210操作码操作数（内存地址码）（2）模型计算机硬件模型机硬件有以下部分组成：运算器：采用8位运算器ALU181，实现算术逻辑运算。该电路的两个操作数输入端设置两个寄存器DR0和DR1。程序计数器PC：用来指示执行指令的地址，以便从内存取得指令。地址寄存器AR：存放并输出访问内存单元的地址。指令寄存器IR：锁存取得的指令，供控制电路解码分析执行。此外，还提供了3个工作寄存器R0,R1和R2。存放可编程程序和数据的存储器RAM也在芯片上实现（像单片机一样）。各个功能模块通过总线连接。计算机组成与机构课程设计5控制器采用微程序设计。整个模型机各功能部件的工作及通路连接的微操作代码如表2.4和表2.5所示。采用字宽24位的ROM存放微程序，3个3-8译码器组成24位输出译码电路。表2.424位微代码定义242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8A字段B字段C字段uA5uA4uA3uA2uA1uA0操作控制信号译码器下址字段模型机CPU的微指令共24位，由操作控制字段和下地址字段组成。编码时将微操作控制字段划分为若干个小字段，每个小字段独立译码，每个码点表示一个微命令。其微指令结构如表3.11所示。微指令的功能及表3.12中A、B、C各字段功能说明如下：●uA5～uA0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。操作控制信号译码器译码器译码器下地址字段●S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器输出的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的某一种操作。●M：微程序控制输出的ALU操作方式选择信号。M＝0执行算术操作；M＝l执行逻辑操作。●Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn＝0表示ALU运算时最低位有进位；Cn＝1则表示无进位。●WE：微程序控制器输出的RAM控制信号。当CE＝0时，如WE＝0，为存储器读；如WE＝1，为存储器写。●A9、A8：译码后产生CS0、CS1、CS2信号，分别作为SW_B、RAM、LED的选通控制信号。●A字段（15、14、13）：译码后产生与总线相连接的各单元的输入