原理课程设计2010

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1、计算机组成原理计算机组成原理 课程设计课程设计 课设安排 星期一 星期二 星期三 星期四 星期五 19周1-81-81-81-81-8 20周1-81-81-4 地点：信北502 时间： 交报告时间：20周周三上午 第一节课程设计的目标和要求 一、课程设计的目标 利用所学的理论知识，真实地进行 计算机整机系统模型机的设计，并且在 EDA平台上，完成设计的实现，使理论与 实践相结合，从而进一步加强分析问题、 解决问题的能力，提高自身硬件设计水平 。 开发平台：Quartus 二、课程设计的要求 l 计算机整机系统模型机总体结构的设计 l 设计出模型机的数据通路、控制信号（微命令） l 完成该机的

2、指令系统的设计 l 拟定各条机器指令的指令流程及相应微操作命令 l 在相应时序系统的配合下，组成能够产生使机器 自动运行的控制信号（微操作命令）的控制部件 l 设计出的模型机在机器加电、产生频率稳定的主 振信号后，能够自动地、连续地执行存储在主存 （RAM）中的程序 l 查验程序运行时所保存的每条指令的运行结果波 形图文件中的内容，验证机器设计的正确性 首先进行计算机整机系统模型机数据 通路的设计。在此基础上，进行微操作命 令的设计。根据信息在数据通路中流动、 读取及存储的需要，设计出相应的各种微 操作命令。 例：单总线8位模型机总体结构数据通路 图如下： 第二节计算机整机系统总体结构设计 第

3、三节 计算机整机系统所需部件设计 u 对于不具备三态输出的所有器件都采用三态门 来隔离总线 一、时序发生器的设计 例：对于用微程序设计来实现控制部件的 模型机而设计出的时序发生器如下： 时序发生器（timer）提供一个微周期中的八 个电平及脉冲型控制信号，可供整机设计时使用 。 二、程序计数器的设计 三、存储器功能部件的设计 四、运算器功能部件的设计 五、通用寄存器组的设计 六、总线暂存器的设计 第四节指令系统设计 一、模型机指令代码格式的设计 模型机指令代码格式可以采用类似8086/8088 指令代码格式的可变长字节的指令代码格式。 例如，双操作数、单字节指令的代码格式如下图： 7 43 2

4、1 0 操作码DESTSRC 其中：DEST为目的地址，SRC为源地址。 二、操作码结构的设计 模型机指令系统中，应包含传送类指令、算术/逻辑 运算类指令、转移类指令、停机指令等相应指令。 操作码位数的设计可以根据指令条数等需求综合而定 例如，需要设计16条指令，则操作码字段可以设计为 4位，即可以设计有16种不同的操作。 三、地址码结构的设计 根据要实现的指令功能，设计相应的地址码字段。 进行寻址方式的设计。根据各条指令实现的不同功 能，设计出相应的各操作数的寻址方式。 四、指令操作码助记符与机器指令代码 v要求设计出指令操作码助记符与机器指令代码的对应关系表 。 例如，具有四位操作码的指令

5、助记符对应设计如下： 指令助记符 机器指令代码 指令功能 HALT 0000 停机 MOV 0001 数据传送(寄存器到寄存器间) MOV 0011 数据传送(立即数到寄存器间) ADD 1001 加法(寄存器与寄存器内容相加) 第五节微指令与控制信号的设计 以微程序控制部件设计方法为例 一、 微指令的设计 v 微指令编码方式的设计 微指令的编码方法，常用的有直接控制编码法（即：不 译码法）、分段直接编译法及分段间接编译法等方法。 在微程序执行过程中，把每条微指令中表示各个微命令 被选用或不选用的（“1”或“0”）信号，与时序系 统产生的电平、脉冲信号相配合，形成模型机数据通路 中的各个控制信

6、号（微操作命令），以控制整个机器的 运行。 v 微程序的顺序控制方式的设计 微程序的顺序控制是为了解决当前微指令执行结束后 ，如何控制产生后继微指令地址的问题。 微程序入口地址的形成 公共的“取机器指令”微程序存放到控制存储器（ CM）的0号单元开始的一段控存（CM）空间中。 根据IR中机器指令的操作码来形成该机器指令所对应 的一段微程序的入口地址（例如，可以把操作码作为 微程序入口地址的高几位或低几位等）。 后继微地址的形成 在微程序执行过程中，主要包括顺序执行和转移执行 两种状态。设计一个微程序计数器（PC）,使其具有 自加1及接收转移地址的功能，由此来控制微程序的 顺序执行或跳转执行。

7、二、 控制信号的设计 在完成模型机数据通路中所需要的各个微操作命令 和微指令的设计之后，结合时序系统提供的时序信号， 在指令流程级，分析每条数据通路中各个微操作命令之 间与时序信号之间的相关性，为每个微操作命令分配相 应的时序信号与之配合，以此来产生最终控制机器自动 运行的控制信号（微操作命令）。 例： PC-BUS = IR5 M1 CPMAR = IR3 M2 第六节微程序设计 根据指令流程设计出一段相应的微程序，以完成机器指 令的功能。 单独设计出一段“取指”公共微程序。在执行完每段微 程序（完成一条机器指令功能）后，应转移到“取指” 公共微程序的入口地址（例如：CM“0”号单元），进

8、行取下一条机器指令的操作。 在设计好机器指令系统及微指令的格式之后，参照模型 机数据通路的结构，则可以开始进行微程序设计。 最后，把各段微程序写入控制存储器(CM)中。控存一般 采用ROM芯片构成。在Quartus的芯片库中，可以 采用LPM_ROM作为控存（CM），存放微程序。把微 程序以写入文件扩展名为.mif的方式输入到控存中。 第七节微程序控制部件的调试 各部件的调试。首先需要确认微程序控制部 件设计是否正确。在调试微程序控制部件时 ，可以采用局部测试法，在时序信号的配合 下，对给定的微地址，测试是否可以正确输 出相应的微命令。 当微程序控制部件的设计正确无误时，为整 机连线调试方便，

9、可以将微程序控制部件封 装成一个芯片后，再与模型机中其它部件、 总线相连。最后，再进行整机系统的调试。 第八节计算机整机系统的调试 在进行模型机整机系统调试时，应当按照每条指 令的功能，一条一条地进行调试。在调试各条指 令时，应当按照指令流程，参照模型机数据通路 ，按照模块功能一部分一部分地调试，直至每条 指令调试成功。最后，用设计出的各条机器指令 编出一段（或若干段）调试程序，采用模拟仿真 方法，使机器运行调试程序，在运行结束后，检 测机器运行的输出波形文件，以确认各条机器指 令运行的正确性。 在进行模型机整机系统调试时，可以按照下述步 骤进行调试： 进行“取指”调试 进行通用寄存器组模块的

10、调试 进行存储器模块的调试 进行运算器模块的调试 整机系统调试 对设计出的每条机器指令，要求按照设计出的所有种 类的寻址方式（含立即寻址、寄存器寻址及存储器寻 址等寻址方式）逐一进行测试。 最后，编制出调试程序（调试程序中应包含设计出的 所有类型的指令），在给定机器唯一的输入信号 时钟脉冲信号后，使机器自动、连续地运行，在遇到 停机指令后，则停止机器运行。机器运行结束后，检 测机器运行的模拟仿真的输出波形文件，以确认各条 机器指令运行的正确性。 课程设计要求及注意事项 基本要求 1、模型机指令系统中，应包含五类指令（传送类、算术运算类、逻辑运算类 、转移类指令、停机指令），最少三种寻址方式。（

11、统计指令条数时，指令 功能相同的指令算一条，如所有的MOV指令只算一条指令。寻址方式可按 出现的次数统计，但不重复累计） 2、两人一组，只允许最多5条指令一样，其余指令自行设计，要求每人交一 份课设报告，报告中除共有指令外，只能撰写自己设计的指令部分。检查时 要求两人同时到场，分别检查。（杜绝抄袭） 特殊要求 （对于以下要求将根据完成程度给予加分，但最后总分不超过100分） 1、存储器采用奇偶分体结构设计。 2、能够设计一些特殊指令。（如PUSH/POP、CALL/RET,条件转移指令、 乘法、除法等） 3、可以将设计的模型机下载到FPGA芯片中，并增加I/O模块，可以在实验 台上演示，即实现

12、整机测试。这一部分不做具体要求。 同样的系统结构，控制器采用组合逻辑控制方式将有适当的难度加分。 课程设计报告要求 1、参考计算机组成原理实践教程基于EDA平 台P92，计算机主机系统设计报告要求。 2、在上述要求基础上，增加一项，计算机主机指令 汇总。（给出本组设计的所有指令的汇编格式。同 时注明哪些指令是共同设计，哪些是自己设计，哪 些是同组同学设计。） 补充介绍补充介绍 存储器设计 1、点击FILE-NEW，在Other Files标签下，选择 Memory Initialization File，点击OK。 Number of words 为存储器的字数， Word Size为字长。

13、点击OK后，生成容量大小为2568的存储器文件。 2、点击OK，弹出Number of Word & Word Size窗口。 3、在弹出窗口中可以编辑存储器内容。 编辑后可存为.mif文件，作为存储器初始化数据。 4、在原理图界面上点击 或在界面内双击。出现窗口 在Libraries列表中选择Lpm_ram_dq作为CPU中的随机存储器， 不选择Lauch MegaWizard Plug-In。 5、点击OK。界面中出现以下窗口，右上角为参数表。 6、双击符号右上角的参数表，出现下面窗口。 在Parameters标签中，将参数LPM_FILE设置为存储器文件的 存放路径，注意目录中需使用反斜杠“/”。 其它参数设置参考实验指导书。在读存储器前需要发一个写信 号才可以读出地址对应的内容。 编译后，当机器运行时，存储器中将加载自行设计的数据。 11 IR CPMARPC-BUS PC CM M 0单元 1单元 2单元 ADD入口 取指微程序 PC-MAR：PC-BUS,CPMAR M-MDR-IR：（WR）,RD,CPMDR，RAM-BUS,CPIR PC+1-PC ： PC+1,CPPC 根据IR高几位转移:0-uPC IR PC M1 M2 IR5M1 IR3M2 ADD微程序段 结束 11 0-IR 0-uPC