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1、目录第一章 设计任务与要求21、1 设计题目21、2 设计目的21、3 设计任务21、4 实验设备和环境21、5 设计内容与要求3第二章 运算器的设计与调试32、1 运算器原理图32、2 设计思路42、3 指令系统52、4 运算器使用到的芯片设计52、4.1 74273芯片52、4.3 74244芯片72、4.4 芯片的总线连接线路图及说明92、5 运算器的功能设计及原理图112、5.1 加法运算器112、5.2 与运算132、5.3 或运算142、5.4 异或运算152、5.5 或非运算162、5.6 右移一位运算172、6 运算器总体连接线路图182、7 运算器调试18第三章 微程序控制器
2、的设计与调试193、1 微程序流程图193、2 指令系统及功能表203、3 控制器的微指令格式及二进制代码表213、4控制器调试连接线路图23233、5 控制器微程序23第四章 简单模型计算机的设计与实现254、1 原理图254、2 简单模型机微程序流程图274、3 微指令格式及二进制微代码表284、4 简单模型机调试连接线路图294、5 简单模型机的微程序和机器指令304、6 实验步骤324、7 实验中出现的问题334、8 解决的方法334、9 实验数据334、9.1 运算器实验数据334、9.2 控制器实验数据344、9.3 简单模型机的实验数据34第五章 总结355、1 课程设计过程中的
3、总结355、2 体会与收获35参考文献36第一章 设计任务与要求1、1 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1、2 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意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。1、3 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
4、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。1、4 实验设备和环境实验设备：1计算机组成原理与系统结构实验箱 1台2PC机 1台软件环境：4. 操作系统： Windows XP5. CMA（实验箱配套软件）6. QuartusII5.01、5 设计内容与要求根据设计任务的要求，结合时间进度安排和考核方面的因素，将本次设计内容分为五个部分，各部分的
5、具体设计内容和要求如下：第二章 运算器的设计与调试1、设计内容：1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、简单输入输出设备、时序和启停等电路；2画出系统组成框图，指出各个部分的功能和实现途径；3针对所设计的模型机系统，每组学生自己定义一套简单的指令系统，给出助记符指令格式，分配指令的机器代码，指出指令的功能；4写出设计方案。2、设计要求：1所设计的模型计算机系统为8位模型机，运算器为8位运算器，数据总线和地址总线都为8位，输入设备为8位开关，输出设备为8位发光二级管指示灯；2每组定义的指令系统为6至10条指令，必须包含本组运算器特有运算功能的指令，每组必须有两条以上指令与
6、其他组不同；3每组提交设计方案，包括简单模型机的结构框图、指令系统、2、1 运算器原理图IN7.0ALU_BS2.0CNT4LDBT4LDAR0_BT4LDRCT4LDRCR0_BR0R1OUT7.0ALUAB显示B显示A显示FC显示FZ三态控制好244D7.0图2-1 运算器原理图2、2 设计思路我们所设计的方案主要想实现两个数的加法运算、与运算、或运算、异或运算、或非运算和右移一位运算。将第一个输入的数存储到寄存器R0，第二个输入的数存储到寄存器R1，再将两个寄存器中的数据分别放入到A、B两个暂存器中，实现两个数据的相加（相与或异或或非右移）运算，通过三个控制信号（S2、S1、S0）选择将
7、要输出哪个运算的结果，将其结果存入R0，输出结果要经过一个三态门，由控制信号（ALU_B）决定是否输出，当ALU_B为低电平时输出数据。2、3 指令系统表2-2-1指令格式指令操作码及二进制代码功能ININ0000 0000 (00H)输入数据到R0ADD R0,R1;ADD0010 0000(20H)R0与R1相加结果送入R0SHR R0, 1;SHR0011 0000(30H)R0逻辑右移一位结果送入R0OR R0,R1;OR0100 0000(40H)R0与R1相或结果送入R0AND R0,R1;AND0101 0000(50H)R0与R1相与结果送入R0XOR R0,R1;XOR011
8、0 0000(60H)R0和R1异或结果送入R0NOR R0，R1;NOR0111 0000(70H)R0和R1或非结果送入R0OUT R0;OUT1000 0000(80H)将R0输出到LEDHLTHLT1001 0000(90H)停机2、4 运算器使用到的芯片设计2、4.1 74273芯片（1） 74273芯片图2-4-1 74273芯片（2） 74273芯片的内部结构图图2-4-2 74273芯片的内部结构图（3） 74273芯片的作用74273数据锁存器，实现数据的存储。2、4.3 74244芯片（1） 74244芯片图2-4-3 74244芯片（2） 74244芯片的内部结构图图2-
9、4-4 74244芯片的内部结构图（3） 74244芯片的作用 74244数据缓冲器，实现数据存储及三态控制。2、4.4 芯片的总线连接线路图及说明图2-4-5 实现寄存器R0的功能图2-4-6 实现寄存器R1的功能图2-4-7 实现暂存器A的功能图2-4-8 实现暂存器B的功能2、5 运算器的功能设计及原理图2、5.1 加法运算器图2-5-1 一位全加器图2-5-2 一位全加器芯片图2-5-3 由8个一位全加器构成的8位全加器图2-5-4 8位全加器芯片2、5.2 与运算图2-5-5 8位与运算图2-5-6 8位与运算芯片2、5.3 或运算图2-5-7 8位或运算图2-5-8 8位或运算芯片
10、2、5.4 异或运算图2-5-9 8位异或运算图2-5-10 8位异或运算芯片2、5.5 或非运算图2-5-11 8位或非运算图2-5-12 8位或非芯片2、5.6 右移一位运算图2-5-13 右移一位运算图2-5-14 右移一位芯片2、6 运算器总体连接线路图图2-6 运算器总体连接线路图2、7 运算器调试编译结果：0错误，6警告。第三章 微程序控制器的设计与调试 3、1 微程序流程图013001003939HLT0138OUT13011237NOR111036XOR0109080735AND010634010105OR33SHR040332ADDIN300201NOP指令译码PIN-R0R
11、0-AR0-AR1-BA+B-R0A右移一位-R0R0-AR1-BA或B-R0R0-AR1-BAB-R0R0-AR1-BA异或B-R0R0-AR1-BA或非B-R0R0-OUTNOPIN-R1图3-1 微程序流程图3、2 指令系统及功能表表3-2-1指令格式指令操作码及二进制代码功能ININ0000 0000 (00H)输入数据到R0ADD R0,R1;ADD0010 0000(20H)R0与R1相加结果送入R0SHR R0, 1;SHR0011 0000(30H)R0逻辑右移一位结果送入R0OR R0,R1;OR0100 0000(40H)R0与R1相或结果送入R0AND R0,R1;AND
12、0101 0000(50H)R0与R1相与结果送入R0XOR R0,R1;XOR0110 0000(60H)R0和R1异或结果送入R0NOR R0，R1;NOR0111 0000(70H)R0和R1或非结果送入R0OUT R0;OUT1000 0000(80H)将R0输出到LEDHLTHLT1001 0000(90H)停机表3-2-2运算类型S2 S1 S0CN功能逻辑运算100XF=AB010XF=A+B110X异或001X或非移位运算101 0F=A逻辑右移一位算术运算111XF=A加B加FC3、3 控制器的微指令格式及二进制代码表（1）微指令格式表3-3-1 微指令格式232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段Ma5-Ma0A字段 B字段 C字段141312选择11109选择876选择000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU_B001P01
