計算機組成原理課程設(shè)計-基于eda和fpga技術(shù)的8位模型計算機的設(shè)計與實現(xiàn)-文庫吧
2025-09-23 02:06 本頁面
【正文】 一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機。 本報告便是通過對各關(guān)鍵部位進行單元和集成仿真測試后 ，下載到目標(biāo)芯片里，最終形成一個功能較為完善的 8 位模型計算機系統(tǒng)。 3 第一章 課程設(shè)計 內(nèi)容 實驗要求 在 Quartus Ⅱ 上完成 8 位模型機的設(shè)計。具體的要求如下： （ 1）在定義五條機器指令，并編寫響應(yīng)的微程序作為模型計算機的控制器； （ 2）使用電路框圖設(shè)計模型計算機電路，并下載編程芯片為定制的簡單模型 CPU. （ 3）在實驗系統(tǒng)上連接輸入按鍵和輸出液晶顯示屏為輸出的模型計算機系統(tǒng)。 實驗?zāi)康? （ 1） 深入理解基本模型計算機的功能和組成知識； （ 2） 深入學(xué)習(xí)計算 機各類典型指令的執(zhí)行流程； （ 3） 學(xué)習(xí)微程序控制器的設(shè)計過程和相關(guān)技術(shù)，掌握 LPM_ROM 的配置方法； （ 4） 掌握微程序的設(shè)計方法，學(xué)會編寫二進制微指令代碼表； （ 5） 在掌握部件單元電路實驗的基礎(chǔ)上，進一步將單元電路組成系統(tǒng)，構(gòu)造一臺基本模型計算機； （ 6）通過這次的課程設(shè)計 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。 4 第二章 實驗原理及方案 實驗原理 本實驗將能在微過程控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實現(xiàn)特定的功能。實驗中，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微過程控制器來完成， CPU 從內(nèi)存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期，全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應(yīng)一個微程序。 該模型機的總的數(shù)據(jù)通路如圖 所示 。 圖 模型機的數(shù)據(jù)通路 實驗方案 指令系統(tǒng) 本實驗采用五條機器指令。指令編碼如下表： 表 一 指令編碼 助記符 操作碼 addr 地址碼 功能描述 IN 00H “INPUT”→ R0，鍵盤輸入數(shù)據(jù) ADD addr 10H XXH R0+[addr] → R0 STA addr 20H XXH R0→ [addr] OUT addr 30H XXH BUS→ “ OUTPUT”，顯示輸出數(shù)據(jù) JMP addr 40H XXH addr→ PC 指令分單字節(jié)和雙字節(jié)，單字節(jié)指令只有 IN 一條，其余都是雙字節(jié)指令。指令各式如表 二 和表 三 。 表 二 單字節(jié)指令格式 7 6 5 4 3 2 1 0 操作碼 源寄存器 目的寄存器 表三 雙字節(jié)指令格式 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 操作碼 操作數(shù)（內(nèi)存地址碼） 源和目的寄存器可以是三個工作寄存器之一，寄存器標(biāo)號 R0 為 00,R1 為 01,R2 為 10。 為了在試驗臺上用鍵盤輸入程序和數(shù)據(jù)到內(nèi)存，以及通過液晶屏顯示輸出，設(shè)計了 3個控制臺操作命令，通過按鍵 SWB 和 SWA 組合實現(xiàn)（括號中是 SWB， SWA 的鍵值） : 存儲器讀 KRD（ 00）操作，存儲器 KWE（ 01）操作，啟動程序執(zhí)行 RP（ 11）操作。 5 模型計算機硬件 在本此設(shè)計的 模型機硬件 主要 有以下部分組成： 運算器： 采用 8 位運算器 ALU181，實現(xiàn)算術(shù)邏輯運算。該電路的兩個操作數(shù)輸入端設(shè)置兩個寄存器 DR0 和 DR1。 程序計數(shù)器 PC： 用來指示執(zhí)行指令的地址，以便從內(nèi)存取得指令。 地址寄存器 AR： 存 放并輸出訪問內(nèi)存單元的地址。 指令寄存器 IR： 鎖存取得的指令，供控制電路解碼分析執(zhí)行。 此外，還提供了 3 個 工作寄存器 R0,R1 和 R2。 存放可編程程序和數(shù)據(jù)的 存儲器 RAM 也在芯片上實現(xiàn)（像單片機一樣）。各個功能模塊通過總線連接。 控制器 采用微程序設(shè)計。整個模型機各功能部件的工作及通路連接的微操作代碼如表 和表 所示。采用字寬 24 位的 ROM 存放微程序 ， 3 個 38 譯碼器 組成 24 位輸出譯碼電路。 微指令設(shè)計 微代碼定義 由于在本次設(shè)計的模型機中只設(shè)計五條指令， 以及它們所實現(xiàn)的任務(wù)，可以將每條微指令用 24 位的微代碼來表示，如表四所示 表 四 24 位微代碼定義 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8 A 字段 B 字段 C 字段 uA5 uA4 uA3 uA2 uA1 uA0 操作控制信號 譯碼器 下址字段 如表四所示的 24 位微代碼信號的功能解釋如下： ① S3S0,ALU 的操作選擇信號，控制執(zhí)行 16 種算術(shù)邏輯操作之一種； ② M,ALU 操作方式選擇 ,等于 O 為算術(shù)操作 ,等于 1 時執(zhí)行邏輯操作； ③ CN ,進位標(biāo)志 ,等于 0 時 ,最低位有進位輸入 ,等于 1 表示無進位 。 ④ WE,控制 RAM 的讀寫信號 ,0 值為讀 ,1 值為寫 。 ⑤ A9,A8,經(jīng)譯碼產(chǎn)生鍵盤 SW_B,存儲器 RAM,輸出顯示 LED 通路選擇信號 。 ⑥ A 字段 , 經(jīng)譯碼產(chǎn)生各部件從總線輸入選通信號 ,參考表 五 ； 表五 微指令譯碼字段說明 A 字段 B 字段 C 字段 15 14 13 選擇 12 11 10 選擇 9 8 7 選擇 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 LDRi 0 0 1 RS_B 0 0 1 P(1) 0 1 0 LDR1 0 1 0 RD_B 0 1 0 P(2) 0 1 1 LDR2 0 1 1 RJ_B 0 1 1 P(3) 1 0 0 LDIR 1 0 0 SFT_B 1 0 0 P(4) 1 0 1 LOAD 1 0 1 ALU_B 1 0 1 LDAR 6 1 1 0 LDAR 1 1 0 PC_B 1 1 0 LDPC ⑦ B 字段 , 經(jīng)譯碼產(chǎn)生各部件到總線輸出選通信號 ,參考表 五 ； ⑧ C 字段 , 經(jīng)譯碼產(chǎn)生測試轉(zhuǎn)移 P1～ P4,裝入程序計數(shù)器 LDPC,參考表 五 ； ⑨ μ A5～μ A0,微程序地址信號 微代碼具體設(shè)計 綜上所述，實現(xiàn)模型機指令的解釋與執(zhí)行的微程序代碼 。這些微代碼寫入 ROM 中 。注意，表 六 中的微地址是 8 進制表示。 表六 微代碼 微地址 微指令 S3 S2 S1 S0 M CN WE A9 A8 A B C μ A5～μ A0 00 018110 0 0 0 0 0 0 0 1
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