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1、计算机组成与机构课程设计 课程设计说明书课程设计名称： 计算机组成与结构A课程设计 课程设计题目： 8位基本模型机设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 计算机科学与技术 班级：100452 学号： 10045204 姓名： 余珊 评分： 教师： 张胜， 周卫民 20 13 年 1 月 13 日目录第一章 设计内容及要求31.1 设计任务31.2 设计要求3第二章 系统组成及工作原理32.1系统组成32.2工作原理4第三章 系统设计83.1 CPU 顶层设计93.2 取指令和指令译码103.3 设计微代码表113.4 建立数据通路133.5控制执行单元13第四章 模型机具体设计过程144
2、.1 各个主要基本部件设计144.2 程序计数器部件（PC）144.3 寄存器154.4微指令译码器154.5 存储器16第五章 程序测试和指令调试165.1 波形仿真165.2 实验调试17第六章 心得体会20第七章 参考文献21第八章 附录21附录一22附录二23附录三23附录四24摘要FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。特别是随着VHDL等
3、硬件描述语言综合工具功能和性能的提高, 计算机中许多重要的元件, 甚至是CPU 都用硬件描述语言来设计和表达。本文结合计算机组成原理的基本理论, 利用EDA技术和FPGA 技术设计并实现一个8位模型计算机。主要包括ALU、微程序控制器、时序产生电路、数据通路、存储器、指令系统等的设计。通过对各关键部件进行单元和集成仿真测试后, 下载到目标芯片里, 最终形成一个功能较为完整的片上模型计算机系统。 关键字：FPGA、模型机、微程序控制、Quartus-25计算机组成与机构课程设计 第一章 设计内容及要求1.1 设计任务（1）定义五条机器指令，并编写响应的微程序作为模型计算机的控制器；（2）使用电路
4、框图设计模型计算机电路，并下载编程芯片为定制的简单模型CPU； （3）在实验系统上连接输入按键和输出显示为输出的模型计算机系统。1.2 设计要求(1)深入理解基本模型计算机的功能和组成知识；(2)深入学习计算机各类典型指令的执行流程；(3)学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法；(4)掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表； (5)在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。第二章 系统组成及工作原理2.1系统组成该模型机主要由算术逻辑单元ALU, 数据暂存寄存器DR0、DR1, 数据寄存器R0 R2, 程序计数器PC
5、, 地址寄存器AR, 程序/数据存储器MEMORAY, 指令寄存器IR, 微控制器C,输入单元INPUT和输出单元OUTPUT 所组成。如其功能模块框图2-1 所示。图中虚线框内部分包括运算器、控制器、程序存储器、数据存储器和微程序存储器等，实测时，它们都可以在单片FPGA 中实现。虚线框外部分主要是输入/输出装置，包括键盘、数码管、LCD 显示器等，用于向CPU 输入数据，或CPU 向外输出数据，以及观察CPU 内部工作情况及运算结果。图2-1模型机的逻辑结构2.2工作原理本模型能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。模型中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，C
6、PU 从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。（1）指令系统计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系。指令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。因此在设计CPU 时，首先要明确机器硬件应具有哪些功能，然后根据这些功能来设置相应指令，包括确定所采用的指令格式、所选择的寻址方式和所需要的指令类型。模型机指
7、令系统中包含有五条基本指令，分为算术运算指令、存取指令和控制转移指令等三种类型。其功能如表5-2所示。五条机器指令分别是：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）如表 2.1所示。表 2.1 模型机指令系统及其指令编码形式助记符操作码addr地址码功能描述IN00H“INPUT”R0，键盘输入数据ADD addr10HXXHR0+addr R0STA addr20HXXHR0addrOUT addr30HXXHBUS“OUTPUT”，显示输出数据JMP addr40HXXHaddrPC指令分单字节和双字节，单字节指令只有IN一条，其余都是双字节指
8、令。指令各式如表2.2和表2.3表2.2 单字节指令格式7 6 5 43 21 0操作码源寄存器目的寄存器表2.3 双字节指令格式7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 1 0操作码操作数（内存地址码）（2）模型计算机硬件模型机硬件有以下部分组成：运算器：采用8位运算器ALU181，实现算术逻辑运算。该电路的两个操作数输入端设置两个寄存器DR0和DR1。程序计数器PC：用来指示执行指令的地址，以便从内存取得指令。地址寄存器AR：存放并输出访问内存单元的地址。指令寄存器IR：锁存取得的指令，供控制电路解码分析执行。此外，还提供了3个工作寄存器R0,R1和R2。存放可编程程序和数据的
9、存储器RAM也在芯片上实现（像单片机一样）。各个功能模块通过总线连接。控制器采用微程序设计。整个模型机各功能部件的工作及通路连接的微操作代码如表2.4和表2.5所示。采用字宽24位的ROM存放微程序，3个3-8译码器组成24位输出译码电路。表2.4 24位微代码定义24232221201918171615 14 1312 11 109 8 7654321S3S2S1S0MCnWEA9A8A字段B字段C字段uA5uA4uA3uA2uA1uA0操作控制信号译码器下址字段模型机CPU 的微指令共24 位，由操作控制字段和下地址字段组成。编码时将微操作控制字段划分为若干个小字段，每个小字段独立译码，每
10、个码点表示一个微命令。其微指令结构如表3.11 所示。微指令的功能及表3.12 中A、B、C 各字段功能说明如下： uA5uA0：微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。操作控制信号 译码器译码器译码器下地址字段 S3、S2、Sl、S0：由微程序控制器输出的ALU 操作选择信号，以控制执行16 种算术操作或16 种逻辑操作中的某一种操作。 M：微程序控制输出的ALU 操作方式选择信号。M0 执行算术操作；Ml 执行逻辑操作。 Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn0 表示ALU 运算时最低位有进位；Cn1 则表示无进位。 WE：微程序控制器输出的RAM 控制信号。当C
11、E0 时，如WE0，为存储器读；如WE1，为存储器写。 A9、A8：译码后产生CS0、CS1、CS2 信号，分别作为SW_B、RAM、LED 的选通控制信号。 A 字段（15、14、13）：译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号。 B 字段（12、11、10）：译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。 C 字段（9、8、7）：译码后产生分支判断测试信号P（1）P（4）和LDPC 信号。表2.5 微指令译码字段说明A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS_B001P(1)010LDR1010RD_B010P(2)011LD
12、R2011RJ_B011P(3)100LDIR100SFT_B100P(4)101LOAD101ALU_B101LDAR110LDAR110PC_B110LDPC微指令的执行方式执行一条微指令的过程类似于机器指令的执行过程。首先，将微指令从控存CM 中取出，称为取微指令。对于垂直型微指令还应包括微操作码的译码时间。然后，执行微指令所规定的各个微操作。根据微指令的执行方式可分为串行执行和并行执行两种。（3）微程序设计这里主要介绍微程序设计方法。图2-2 是一个具有五条指令IN、ADD、STA、OUT和JMP 的微程序流程图。其中方框代表基本的微操作，菱形框为分支判断框。每条指令都是由不同微操作来
13、完成的，微操作的数量各不相同，因此每条指令所需的执行时间也是不同的。以下分别介绍各指令的功能和微操作流程。图2-2 微程序流程图1. IN 指令为了执行输入指令，CPU 要做两件事情。首先，由INPUT 输入装置的数据开关SW，输入数据送到数据总线上；其次，通过数据总线将输入的数据写入寄存器R0 中。BUSSW ； R0BUS。由于输入到数据总线上的数据就是要写入寄存器的数据，因此可以将这两个操作合并成一个操作：R0SW。执行完输入指令的整个周期后，程序返回到取指令周期，开始取下一条指令。2. ADD 指令加法指令执行的操作是将寄存器R0的内容与存储单元内容相加后，存回寄存器R0：R0R0+（MEM）。执行加法运算时，需要分别将R0 的内容送DR1，将存储单元的内容送DR2，在累加器ALU 中进行加法运算后，将运算结果写回寄存器R0。而存储单元的地址是存放在紧跟在操作码后的字节中的，因此，首先要以该字节的内容为地址，即将该单元内容送地址寄存器AR；然后，从AR 所指向的RAM 存储单元取出操作数送给DR2。由于在取指令操作码时，PC 已经自动加1，指向下一字节，该地址就是存放操作数的存储单元的地址。通过执行以下三个步骤，可以从存储器中取出操作数送到
