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1、学校代码： 10128学 号：计算机组成与结构课程设计说明书题 目：模型计算机的设计与实现学生姓名： 学 院： 信息工程学院班 级： 组 别： 指导教师： 2012年 7 月 13 日摘 要3第一部分 模型计算机设计41.1简单描述41.2设计内容41.2.1指令周期流程图41.2.2机器指令设计51.2.3系统组成框图5第二部分 运算器的设计与调试72.1设计要求72.2设计内容72.2.1设计图8第三部分 微程序控制器的设计与调试113.1 设计要求113.2 设计内容113.2.1数据通路图123.2.2微指令格式123.2.3微程序流程图133.2.4二进制代码表14第四部分整机调试1
2、741设计内容174.2数据连通图和接线图174.3运行结果18摘 要本报告主要是在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序,其中至关重要的一步是用复杂可编程逻辑部件来实现运算器的功能。一、设计题目基于TDCMA实验教学系统的模型计算机的设计与实现二、设计目的计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新
3、意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。三、设计任务在西安唐都科教仪器公司研发、生产的 TDCMA 实验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备。要求学生自己定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法。在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。四、实验设备和环境实验设备：1计算机组成原理与系统结
4、构实验箱 1台2PC机 1台软件环境：1 操作系统： Windows XP2 CMA（实验箱配套软件）3 QuartusII4.2第一部分 模型计算机设计1.1简单描述设计实现一个简单的模型机，该模型机包含若干条条简单的计算机指令，其中至少包括输入、输出指令、存储器指令、寄存器访问指令、运算指令、程序控制指令。学生需根据要求自行设计出这些机器指令对应的微指令代码，并将其存放于控制存储器，并利用机器指令设计一段简单的指令程序。将实验设备通过串口计算机，通过联机软件将机器指令程序和编写的微指令程序存入主存中，并运行此段程序，通过联机软件显示和观察该段程序的运行，验证编写的指令和微指令的执行情况是否
5、符合要求，并对程序运行结果的正、误分析其原因。1.2设计内容1.2.1指令周期流程图开始MMDIRMMAC取指指令MOV指令运算指令MMIRMMIRALU运算PC+1IRuIRDR2ACMMIRMMIRIRuIRIRuIR结束图 2-1 指令周期流程1.2.2机器指令设计机器指令码设计:助记符实现功能机器指令代码IN0(R0)A-R00010 0000IN1(R1)B-R10011 0000ADD(R0，R1)A+B-R00000 0000MUL(R0，R1)AvB-R00101 0000AND(R0,R1)AB-R00110 0000OUT(R0)A-OUT0111 0000 HLTNOP1
6、000 00001.2.3系统组成框图各部件功能为：1LDPC 微程序控制器输出的PC加1信号。2LOAD 微程序控制器的输出信号。LOAD0时，PC程序计数器处于并行置数状态；LOAD1时，PC处于计数状态。3ALUBUS 微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。4PCBUS 微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的内容是否送到总线BUS，低电平有效。5R0BUS 微程序控制器的输出信号，控制寄存器R0的内容是否送到总线BUS，低电平有效。6SWBUS 微程序控制器的输出信号，控制8位数据开关SW7SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。7LDR0 微程序
7、控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入寄存器R0。8LDDR1 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。9LDDR2 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2。10LDIR 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据（指令）输入到指令寄存器IR中。第二部分 运算器的设计与调试2.1设计要求1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2了解VHDL、HDL语言；3. 了解QuartusII软件环境；4. 实现自定义运算器；5. 提交在QuartusII软件中建立的工程文件；2.2设计内容1.自定义运算器的功能；2.使用TDCM
8、A 实验教学系统提供的大规模可编程逻辑器件 CPLD（EMP1270），根据指令功能选择（确定）相应的算逻运算，用原理图输入或VHDL硬件描述语言方法进行设计，在QuartusII软件中建立工程文件，实现相应功能；3.在“计算机组成原理与结构实验系统”上调试和完成运算器的设计工作； 2.2.1设计图引脚的分配输入输出及引脚分配图 加法运算预算芯片加法运算逻辑图或运算芯片或运算的逻辑图控制输出图第三部分 微程序控制器的设计与调试3.1 设计要求1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制
9、信号；4每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并记录相关实验结果；5. 提交微程序流程图、对应的二进制微代码表3.2 设计内容1编写出实现自定义指令系统的微程序；2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3在TDCMA 实验教学系统平台上调试和完成微程序控制器的设计工作；3.2.1数据通路图3.2.2微指令格式微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A、B、C各字段功能说明：A字段B字段C字段141312选择11109选择876选择000NOP000NOP000
10、NOP001LDA001ALU_B001P010LDB010R0_B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101保留101保留101保留110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留3.2.3微程序流程图33IN-R001R0-OUT3101OUTOUTHUOADDININ0101320705060430343635030100NOPPC-ARPC+1MEM-IRR0-AIN-R1R0-AR1-OUTPR1-BR1-BA+B=R0AB=R001013.2.4二进制代码表地址十六进制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5MA00000 00
11、010000000000000000000000010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 26 050000000000100110000001010504 B2 01 0000000010110010000000010600 26 070000000000100110000001110700 32 010000000000110010000000011D10 51 410001000001010001010000011100 24 120000000000100001000100101
12、202 32 01000000100011001000000013000 14 040000000000010100000001003118 40 010001100001000000000000013218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013400 14 060000000000010100000001103500 00 350000000000000000001101013628 06 010010100000000110000000013C00 6D 5D000000000110110101011101代码; /*/; / /; / CMA Saved File /; /
