计算机科学与技术 硬件设计报告

计算机科学与技术领域的硬件设计是计算机工程的核心组成部分，它涵盖了计算机系统的物理构建和运作机制。在本篇硬件设计报告中，我们关注的焦点是一个16位的模型机，该模型机设计旨在帮助学生深入理解计算机系统各模块的功能以及它们之间的交互。 设计目标包括以下几个方面： 1. 强调对计算机组成原理的全面理解，通过实际操作强化理论学习，提高对计算机系统各个组件（如总线、存储器、控制器和运算器）工作原理的认知。 2. 掌握使用VHDL语言进行FPGA（Field Programmable Gate Array）或CPLD（Complex Programmable Logic Device）设计的基本流程，熟悉EDA（Electronic Design Automation）工具的使用，如 Quartus 或 Vivado，以体验FPGA/CPLD相对于传统硬件开发的优势。 3. 培养独立研究和工程实践的能力，通过设计和调试模型机积累实际经验。 该16位模型机由以下组件构成： - **总线结构**：采用单总线结构，数据总线宽度为16位，地址总线也为16位，允许访问64K（2^16）个地址空间。 - **存储器**：内存容量为64K * 16位，提供足够的存储空间。 - **控制器**：使用硬连线控制器实现26位微操作控制信号，控制整个系统的运行。 - **运算器**：配备单累加器，能执行包括加、减在内的8种基本运算。 - **外设**：输入通过开关，输出则使用7段数码管和LED显示器，方便数据可视化。 - **指令系统**：设计有64条指令，分为7种类型，支持5种寻址方式，以满足不同操作需求。 在指令系统设计部分，例如31号指令`MOV A, MM`，将存储器MM地址的值移动到累加器A中，而34号指令`MOV @R?, A`则将累加器A的值传送到由寄存器R?指定的存储器地址。 硬件设计中，直通门D被设计用来直接将ALU（算术逻辑单元）的运算结果送至数据总线DBUS，以实现数据的快速传输。此外，还设计了BCD码编码器，它能将输入的高、低电平信号转化为对应的BCD（Binary-Coded Decimal）代码，用于处理十进制数值。 系统设计部分包括逻辑框图和芯片引脚图，展示了模型机的整体架构和各组件之间的连接关系。模型机提供了多样化的指令类型和寻址方式，如算术/逻辑指令、移位指令、数据传送指令、程序跳转控制指令、存储器操作指令和输入/输出指令。同时，指令系统支持立即数寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址和累加器寻址等多种寻址模式，增强了指令的灵活性和功能性。 这份报告详细展示了如何设计一个完整的16位模型机，涵盖了从指令系统设计到硬件电路实现的全过程，是计算机硬件设计课程的一份宝贵参考资料，有助于提升学生的理论知识与实践技能。