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计算机组原课程设计-模型机设计与实现
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2012-12-19
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运用所学的知识,以及quartus2.0工具来完成,计算机组原课程设计-模型机设计与实现
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一:设计目的
1.融会贯通教材各章的内容,通过知识的综合运用,加深对计算机系统各模
块的工作原理及相互联系的认识,加深计算机工作中“时间-空间”概念的理解,
从而清晰地建立计算机的整机概念。
2.学习设计和调试计算机的基本步骤和方法,培养科学研究的独立工作能力 ,
取得工程设计和调试的实践和经验。
二:设计环境
软件:Quartus 2.0
硬件:i3 cpu 2g 内存 windows 操作系统
三:设计内容
1.总体设计步骤
(1)对指令系统中的各条指令进行分析,得出所需要的占领周期与操作序列 ,
以便确定各器件的类型和数量;
(2)设计总框图草图,进行各逻辑部件之间的互相连接,即初步确定数据通
路,使得由指令系统所要求的数据通路都能实现,并满足技术指标的要求;
(3)检查全部指令周期的操作序列,确定所需要的控制点和控制信号;
(4)检查所设计的数据通路,尽可能降低成本,简化线路,优化性能。
以上过程可以反复进行,以便得到一个较好的方案。
下图给出了一个参考方案,数据通路的设计和器件的选择应同时进行,接
入总线的器件都要有三态输出,以便与总线连接。图中所示的方案采用单总线
结构,使用的许多器件都是三态输出,这种方案便于总线的连接和扩展。
此方案由
8 位运算器 ALU;
地址存储器 ROM;
数据存储器 RAM;
程序计数器 PC;
微程序控制器;
时序产生器;
数据缓冲寄存器 DR1,DR2;
数据地址寄存器 AR;
指令寄存器 IR;
通用寄存器 R0;所组成。
图中微控制信号说明:
1 nROM_BUS:ROM 数据输出到总线控制信号,低电平有效。
2 nRAM_BUS:RAM 数据输出到总线控制信号,低电平有效。
3 m:加、减法选择控制信号,为 1 做加法,为 0 做减法。
4 nSW_BUS:数据输入到总线控制信号,低电平有效。
5 LDN:PC 置数控制信号,低电平有效。
6 nCS:RAM 片选信号。(此信号的有效值根据所用 RAM 器件特性来
定)
7 WE:RAM 写信号,高电平时做写操作。
8 LDR0:数据打入 R0 锁存控制信号,脉冲上升沿有效。
9 LDDR1:数据打入 R1 锁存控制信号,脉冲上升沿有效。
10 LDDR2:数据打入 R2 锁存控制信号,脉冲上升沿有效。
11 LDIR:数据打入 IR 锁存控制信号,脉冲上升沿有效。
12 LDPC:数据打入 PC 锁存控制信号,脉冲上升沿有效。
13 LDAR:数据打入 AR 控制信号,脉冲上升沿有效。
14 nALU_BUS:运算器 ALU 结果输出到总线控制信号,低电平有效。
15 nPC_BUS,低电平有效。
16 nR0_BUS,低电平有效。
2.数据格式
数据字规定采用定点整数补码表示法,字长 8 位,其中最高位为符号位,其格式如下:
7 6 5 4 3 2 1 0
符号位 尾 数
3.指令格式
本实验设计使用 5 条机器指令,其格式与功能说明如下:
7 6 5 4 3 2 1 0
IN 0 0 1 0 0 0 0 0
ADD 0 1 0 0 0 0 0 0 A
STA 0 1 1 0 0 0 0 0 A
OUT 1 0 0 0 0 0 0 0 A
JMP 1 0 1 0 0 0 0 0 A
IN 指令为单字长(字长为 8bits)指令,其功能是将数据开关的 8 位数据
输入到 R0 寄存器。
ADD 指令为双字长指令,第一个字为操作码,第二个字为操作数地址,其
功能是将 R0 寄存器的内容与内存中地址为 A 的数相加,结果存放在 R0 寄存器
中。
STA 指令为双字长指令,第一个字为操作码,第二个字为操作数地址,其
功能是将 R0 寄存器中的内容存储到以第二个字为地址的内存单元中。
OUT 指令为双字长指令,第一个字为操作码,第二个字为操作数地址,其
功能是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线,显示
之。
JMP 指令为双字长指令,第一个字为操作码,第二个字为操作数地址,其
功能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址。
将操作码放到 ROM 中,而操作数放在 RAM 中,每次 PC 加一,先从 ROM
中取操作码;再从 RAM 中取操作码地址,再次从 RAM 取出数据。
4.微指令格式
20~6 字段,如上图中所示;第 5 字段,p1 控制指令的跳转;4~0 字段
为微指令的地址。且每个指令由多个微指令实现。
四、设计要求
1.根据给定的数据格式和指令系统,设计一台微程序控制的模型计算机。
2.根据设计图,在 QUARTUS II 环境下仿真调试成功。
3.在调试成功的基础上,整理出设计图纸和相关文件,包括:
(1)总框图(数据通路图);
(2)微程序控制器逻辑图;
(3)微程序流程图;
(4)微程序代码表;
(5)设计说明书及工作小结。
五、详细设计
(一)设计原理与电路图
1.微程序控制器
①首先对 D 触发器进行了解
由波形可知当 clr 有效是清零,当 prn 有效时置 1,clr 优先 prn;则可知当 p 字段有效
时,通过地址转移到下一条微地址。
②地址转移逻辑
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资源评论
- ephemer0n2014-06-27截图不全啊,其他的蛮好
前端-小强
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