山东大学计算机组成原理课程设计实验报告

计算机组成原理课程设计报告计算机科学与技术学院2014级1班鸿武QQ:2420430689(2号)2016年11月22日计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)1目录总述........................................................................2课程设计目的.............................................................2课程设计内容与要求.......................................................2课程设计工具.............................................................2课程设计方法.............................................................2同组者...................................................................2微程序控制的运算器设计.......................................................2设计目的.................................................................2设计要求.................................................................3运算器结构...............................................................3微程序控制器的结构.......................................................4主要部件设计.............................................................5实验调试.................................................................6微程序控制的存储器读写系统设计...............................................7设计目的.................................................................7设计要求.................................................................7结构与信号索引...........................................................8微指令格式及微指令编制...................................................8简单模型机设计——微程序设计.................................................8设计目标.................................................................9指令系统.................................................................9总体结构.................................................................9关键部件................................................................10微程序控制器的结构......................................................13微指令格式..............................................................14微程序编写..............................................................15调试....................................................................16简单模型机设计——硬布线设计................................................16设计目标................................................................17总体结构................................................................17关键部件设计............................................................18调试....................................................................20课程设计中遇到的问题........................................................20感想体会....................................................................20附录.......................................................................22微程序控制的运算器设计详细电路图........................................22微程序控制的存储器读写系统设计详细电路图................................24微程序设计模型机详细电路图..............................................25硬布线控制的模型机详细电路图............................................34计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)2总述课程设计目的通过该课程设计的学习，总结计算机组成原理课程的学习内容，运用计算机原理知识，设计一台模型机，从而巩固课堂知识、深化学习内容、完成教学大纲要求，学好这门专业基础课。课程设计内容与要求要求每2位学生一组合作完成设计任务，充分利用所学知识设计出具有一定特色的模型计算机。课程设计工具要设计模型机，完成课程设计的任务，首先要掌握内容：计算机组成原理课程设计平台：JYS计算机组成实验箱；QuartusII软件的使用。课程设计方法课程设计分为两个阶段：第一阶段为微程序实现的模型机内核。通过对部件的设计，以期达到对部件的构成、设计方法、工作原理及在计算机硬件中的功能作一个系统的了解。第二个阶段为硬布线实现的模型机内核。将用多个部件构造一台较为复杂的计算机硬件系统。以期达到对计算机的总体设计、基本构成、基本原理有一个清楚的认识并能建立一个清晰的整机概念，从而扎实地掌握一种数字系统的设计方法。同组者XX微程序控制的运算器设计设计目的①熟悉简单运算器的结构。计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)3②熟悉微命令的产生和时序。③熟悉运算器功能测试。设计要求设计一个八位算法逻辑运算单元ALU。两操作数由八位寄存器R0、R1提供，其结果放入R2中。具体何种操作可由微命令任意设定。运算器结构运算器结构如下图所示。R0、R1、R2均为D触发器组成的八位寄存器，在打入脉冲CPRi的作用下，接收数据输入端提供的信息送入Ri中。μIR23-16为微指令寄存器的高八位，可定义为操作数。进位信号C0、打入脉冲CPR0、CPR1、CPR2、M、S0、S1、S2、S3均由微指令寄存器的μIR8和μIR7--μIR0产生。实现框图如下图所示。图中虚线内的内容就是我们要设计实现的内容。计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)4微程序控制器的结构控制存储器24位,ROM3#、ROM2#、ROM1#、μIR23-16、μIR15-8、μIR7-0、L23-16、L15-8、L7-0、μRD、CPμIR、A0～A7均连入FPGA系统中。自行设计的微程序计数μPC向控制存储器提供8位微地址，在控存读信号的作用下，读出一条长24位的微指令代码，并在打入命令CPμIR的作用下，送入μIR23-16、μIR15-8、μIR7-0。L23-16、L15-8、L7-0用于显示微指令寄存器μIR23-16、μIR15-8、μIR7-0的内容。每当按一次脉冲键便产生一个负脉冲，该脉冲的作用是：（1）作为读控存的命令μRD。（2）负脉冲当作CPμIR，将读出的微指令代码打入μIR（3）负脉冲的上升沿使μPC＋1形成下一条微指令的地址。（4）负脉冲反相后的上升沿作为寄存器打入脉冲。微指令的格式如下图所示。计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)5主要部件设计μPC的设计μPC用异步模256增1计数器实现，电路图如下所示。该计数器对CLK增1计数。CLR为清零端，低电平有效，当CLR为0时，该计数器输出全为0。PRN为置位端，低电平有效，当PRN为0时，该计数器输出全为1。算术逻辑运算单元ALU的设计该部分中算术逻辑运算单元用两片74LS181芯片按如下图所示结构实现八位组间串行进位运算器。74LS181功能表如下图所示。计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)6ALU的实现电路图如下。实验调试将设计完成的电路图下载到FPGA中。按照前面所给的74LS181功能表编写微指令，并写入到ROM中，微指令从0地址单元开始存放。例如要实现55+AAR2计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)7需要如下指令：55→R0：010101010000000010000000即550080AA→R1：101010100000000001000000即AA0040R0＋R1→R2：000000000000000100101001即000129R0-R1→R2：000000000000000000100110即000026执行操作：按一次RET键将μPC置零。按一次脉冲键读出并执行一条微指令。当微程序执行完时检查并记录结果。微程序控制的存储器读写系统设计设计目的（1）熟悉随机存储器读写系统结构设计。（2）熟悉随机存储器的读写时序。（3）熟悉随机存储器的读写操作的微程序实现。（4）熟悉随机存储器的功能测试。设计要求课程设计平台为设计环境提供了容量为256×8的随机存储器。在此基础上，设计相应的外围电路和时序对随机存储器进行读写操作。结构框图如下图所示，设计完成后可以根据pc访问内存，取出地址Ad1，根据Ad1访问取出数据X，将X保存在Ad2地址单元。计算机一班鸿武QQ:2420430689(2号)8结构与信号索引上图中MAR为地址寄存器。R寄存器必须为具有三态输出的寄存器，直接调用74374即可。PC为带清零端的8位增1计数器（在上一部分的运算器设计中已经实现过）。FPGA引脚信号如下：①A7～A0地址信号，方向指向RAM。②D7～D0数据信号，双向，RAM的数据通过该数据线读出或写入。③存储器读命令RD，低电平有效。④存储器写命令WR，低电平有效。微指令格式及微指令编制μIR3为1产生CPR；μIR2为1产生CPMAR；μIR4为1产生CPPC；μIR1为1产生WR；μIR0为1产生RD；μIR5为1产生XMAR选择信号；μIR6为1产生XPC选择信号；