课程设计任务书
一、设计题目
基于微程序控制器的主控存分开的简单计算机系统设计与实现
二、设计内容
设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。充分利用 FPGA 以及相
关外围器件，设计实现模型机的整机系统。要求所设计的整机系统能支持自动和
单步运行方式，能正确地执行存放在主存中的程序功能，对主要的数据流和控制
流通过 LED 适时显示信息。尽可能利用 EDA 软件对模型机系统中各部件进行仿
真分析和功能验证。在学有余力的前提下，可为模型机增加更多的扩展功能。
三、 设计要求
1） 支持算术运算、逻辑运算、存储器读写、寄存器间数据传送等几
类指令；
2） 支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、寄存器寻址等几种基本
数寻址方式和顺序寻址、跳跃寻址方式；
3） 支持 10 条以上的指令；
4） 能运行由自己设计的指令系统构成的一段程序，程序执行功能正
确。
四、 设计流程
1） 根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案；
2） 画出模型计算机系统的原理框图和器件连接图，分析器件连接图
中各器件不同的引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序来
控制，以及这些控制信号的有效形式；
3） 画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号；
4） 设计出实现指令功能的微程序控制器或硬布线控制器；
5） 布线、调试、验收；
6） 课程设计报告和总结。
五、成绩评定
成绩评定根据考勤、课程设计的过程、课程设计的效果、课程设计报告质量
等进行综合评定；其中设计过程和结果占 70%，课程设计报告占 30%；课程设
计的成绩等级为不及格、及格、中、良好、优秀五级；对基本功能进行扩展或设
计具有非常鲜明特征和一定程度的创新，可根据实际情况加分。
六、设计报告要求
课程设计报告主要包括：设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、
设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、参考文献等。要求在适当位置配
合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表
等图表进行说明。总结部分主要写设计工作简介以及设计体会。应做到文理通顺，
内容正确完整，书写工整，装订整齐。课程设计报告采用《计算机组成原理》专
用设计报告模版，A4 纸双面打印，除框图外需附下载的设计图以及微指令控制
点图。
七、时间安排
课程设计的总体时间为 2 周，具体安排如下：
1) 第 1 天：到实验室布置任务和集中讲解。
2) 第 2 天：学生自己设计，选择并熟悉自己所要的芯片。
3) 第 3 天：领导线和芯片，进行芯片功能测试，在此基础上修改完
善原设计方案。
4) 第 4 天到第 10 天：实验室调试、验收。
八、主要参考文献
[1] 秦磊华，王小兰.计算机组成原理实验指导及课程设计指导书(基于
EDA 平台).武汉：华中科技大学出版社，2010 年.
[2] 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理.北京：清华大学出版社，2011
年.
[3] DAVID A.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原
书第 3 版).北京：机械工业出版社.2007 年.
[4] 袁春风编著.计算机组成与系统结构.北京：清华大学出版社，2011
年.
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
I
目 录
1 课程设计概述 .....................................................2
1.1 课设目的 ......................................................2
1.2 设计任务 ......................................................2
1.3 设计要求 ......................................................2
2 实验原理与环境 ...................................................4
2.1 实验原理 ......................................................4
2.2 实验环境 ......................................................4
3 总体方案 .........................................................6
3.1 需求分析 ......................................................6
3.2 硬件设计 ......................................................6
3.3 软件设计 .....................................................12
4 详细设计与实现 ..................................................15
4.1 选用芯片 .....................................................15
4.2 硬件实现 .....................................................21
4.3 软件实现 .....................................................28
5 实验过程与调试 ..................................................33
5.1 实验前准备 ...................................................33
5.2 主要故障与调试 ...............................................33
5.3 功能测试 .....................................................35
5.4 实验流程图 ...................................................37
6 设计总结与心得 ..................................................38
6.1 课设总结......................................................38
6.2 课设心得......................................................39
参考文献 ..........................................................41
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
2
1 课程设计概述
1.1课设目的
计算机组成原理是计算机专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼
学生简单计算机系统的设计分析能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分
析和解决问题的能力。
首先，通过复习在组成原理课程中学习到的各部分的知识主干，，帮助学生
回忆起核心知识点，为实验设计打下基础，并对各种方案的特点和评价加以说明，
使学生尽快获得一个与实验器材、自身能力和实验周期相匹配的一个设计思路。
然后，加深学生读冯·诺依曼计算机体系结构的认识，利用已学习的现有的
知识，在相关材料的帮助下和器材的限制下，自主设计一个逻辑框架结构，并逐
步细化各个功能部件的具体实现，对计算机的整体原理有精确、细致而深入实践
的把握。
第三，可以培养学生的创新思维和创新能力和勇于挑战的精神，在学生完成
基本功能实现后，积极鼓励学生对一些相对枝节而困难的部分进行设计创作，如
何在余下的有限的硬件资源上合理有效的构建扩展的部件并能按时完成，对培养
学生的创新思维和实践能力有一定的帮助。
第四，培养学生的调试测试和分析问题修改设计方案的能力。由于是第一次
尝试这种有一定规模的课程设计，问题的出现在所难免，学生应从中获得调试分
析、交流讨论和独立思考的方法，从实验中最大化自身的收获。
最终，通过课程设计报告来整理汇总设计的思路、理解、问题和收获，并且
规范而有条理的通过书面报告的形式表达出来，符合本科生应具有的学术规范和
学术水平。
华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告
3
1.2 设计任务
计算机系统设计的总体目标是设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序
信号。所设计的主机系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存
中程序的功能，对主要的数据流和控制流通过 LED 适时显示信息。
具体设计任务如下：
（1） 支持立即数寻址，隐含寻址，直接寻址，寄存器寻址等寻址方式；
（2） 支持算术运算，逻辑运算，寄存器存取，寄存器读写等 10 条以上指令；
（3） 基于微程序控制器；
（4） 能运行由自己设计的指令系统中指令构成的任意程序，程序功能和运算
结构正确；
（5） 所设计的主机系统能支持自动和单步运行方式；
（6） 鼓励在完成上述基本功能的基础上进行适当扩展，比如流水线，支持中
断，支持存储器和其他寻址方式等。
1.3 设计要求
根据理论课所学的知识，设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实
验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统，具体要求如
下：
（1） 根据课设指导书的要求，制定设计方案；
（2） 画出自己所设计计算机系统的原理图和器件连接图；
（3） 确定指令系统所支持的指令和微指令，画出微指令表，并确定各个微指
令的控点和时序控制。指出各个指令周期完成的工作，给出相关的逻辑表
达式；
（4） 根据已有的指令系统，设计编写支持的指令程序，测试计算机系统所支
持的各种功能，要求能单步、自动执行。
