《组成实验指导2013》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组成实验指导2013（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、盛建伦 ,1,计算机组成原理,实 验 指 导 书,青岛理工大学,2013年 第2版,Principles of Computer Organization,盛建伦,Experimental Instructions Book,盛建伦 ,2,每个同学应该在F：盘上建立自己的文件夹，把自己的程序等文件都保存在这个文件夹下。,千万不要把自己的程序等文件保存在桌面、C：或D：盘上。关机后都消失了。,不要用汉字作为文件名、文件夹名。,文件名、实体名、信号名、变量名等必须以字母开头。,建立工程时，首先选择器件系列Family：cyclone，然后选择器件Device：EP1C6Q240C6。,Tips,盛
2、建伦 ,3,实 验 步 骤,第1部分,盛建伦 ,4,1逻辑设计。画出系统框图和系统的逻辑图。在逻辑图中清楚地表示出内部各元件的连接以及各条内部连线（signal）的名称。说明外部的端口名称和有效电平等属性。根据需要还可列出真值表/功能表/状态转换表/逻辑函数等。在进入实验室之前必须完成逻辑设计。,2用VHDL编写程序。在进入实验室之前必须完成编程。程序必须有注释。,3仿真设计。设计仿真数据和步骤。详细说明每个功能是用什么控制信号和数据来验证的。在进入实验室之前必须完成仿真设计。,实验步骤,盛建伦 ,5,4启动Quartus II系统。建立工程。建立工程时，首先选择器件的Family：cyclo
3、ne，然后选择器件Device：EP1C6Q240C6。先为每个下层的实体建立工程，编译，仿真。如果全都正确了，最后为顶层的实体建立工程，编译，仿真。,5在Quartus II系统平台上编译VHDL源程序并修改语法错误。,6在Quartus II系统平台上进行时序仿真并修改逻辑错误。,7分析实验结果。写实验报告。,实验步骤,盛建伦 ,6,实 验 课 题,第2部分,7,实验课题1 ALU设计,实验内容：,按照题目要求设计一个16位ALU的逻辑，决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计14位并行进位加法器功能要
4、求：能完成两个4位二进制数（补码和无符号数）的加法和逻辑加运算。内部有并行进位链。可以扩展成多位组。2组间并行进位链逻辑功能要求：4个4位小组的组间并行进位链逻辑。将组间并行进位链逻辑与4个4位超前进位加法器连接可以构成16位超前进位加法器。可参考74182的逻辑函数。,（4学时）,盛建伦 ,8,实验课题1 ALU设计,实验内容：,一、主要元件设计3函数发生器功能要求：能把输入的两个16位二进制数进行变换，与后面的16位超前进位加法器配合完成两个16位二进制数（补码和无符号数）的8种算术运算（有些运算考虑低位来的进位）和8种逻辑运算。提示：ALU的功能参考数字逻辑课程的“多功能加法器”实验。,
5、盛建伦 ,9,实验课题1 ALU设计,二、顶层设计用层次结构设计的方法设计一个16位ALU。内部包括4个4位并行进位加法器、组间并行进位链、16位函数发生器等。功能要求：能完成两个16位二进制数以及低位来的进位的8种算术运算和8种逻辑运算。可参考74181。,三、仿真设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,四、深入的课题上面设计的ALU还没有标志寄存器，如果想为ALU增加标志寄存器，应该怎样设计？标志位是怎样产生的？,盛建伦 ,10,实验课题2 通用寄存器组设计,实验内容：,按照题目要求设计一个通用寄存器组的逻辑，决定外部的端口（名称、有效
6、电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计116位寄存器功能要求：同步并行置数，异步复位（清零），三态输出，片选信号，读/写控制。2地址译码器功能要求：3-8译码器。,（2学时）,盛建伦 ,11,实验课题2 通用寄存器组设计,二、顶层设计用层次结构设计的方法设计一个通用寄存器组。包括8个16位寄存器，1个地址译码器等元件。功能要求：每个寄存器能够同步并行置数，异步复位（清零），三态输出。每个都可以（用地址）独立访问。,三、仿真设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,盛建伦 ,12,
7、实验课题2 通用寄存器组设计,四、深入的课题 上面设计的通用寄存器组，每次只能访问一个寄存器。如果想同时访问两个寄存器，应该怎样设计？ 16位的寄存器每次读/写都是一个16位字，如果需要写入的是8位的字，即将8位的字写到16位寄存器的高8位或低8位（例如，16位寄存器A由AH和AL两个8位的寄存器组成），读出时，可一次读16位。应该怎样设计？,13,实验课题3 控制器部件设计,实验内容：,按照题目要求设计计算机控制器各主要部件的逻辑，决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计1程序计数器功能要求：8位二进制计
8、数器，同步并行置数，同步复位（清零），三态输出。提示：注意程序计数器的“加一”功能。2数据寄存器功能要求：8位，同步并行置数，双向三态输出。3地址寄存器功能要求：8位，同步并行置数，三态输出。,（2学时）,盛建伦 ,14,实验课题3 控制器部件设计,实验内容：,一、主要元件设计4指令寄存器功能要求：8位，同步并行置数。5指令译码器功能要求：3-8译码器。,二、仿真设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,盛建伦 ,15,实验课题4 控制器设计,实验内容：,按照题目要求设计计算机控制器的基本逻辑（不包括微操作信号产生电路），决定外部的端口（名称
9、、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,用层次结构设计的方法设计控制器的指令部件。下层元件的设计已经在实验3中完成。包括：程序计数器、指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器、指令译码器等。本实验只需要做顶层设计。,（2学时）,盛建伦 ,16,实验课题4 控制器设计,实验内容：,二、顶层设计功能要求： 具有控制器的部分基本功能，能够控制取指令操作、控制访存取数据操作、控制访存存数据操作、指令译码，等。取指令机器周期：把程序计数器的内容送到地址总线，延迟一段时间后把从存储器中读出的指令（通过数据总线读入），送到指令寄存器；每取一个指令字程序计数器加1
10、。取数据机器周期：把地址寄存器的内容送到地址总线，延迟一段时间后把从存储器中读出的数据（通过数据总线）送到数据寄存器。存数据机器周期：把地址寄存器的内容送到地址总线，把数据寄存器中的数据送到数据总线，延迟一段时间后结束。指令译码：假设操作码在指令字的最高3位。,17,实验课题4 控制器设计,提示1： 控制器内部数据通路，可以是总线结构，也可以是直接连接结构。提示2： 控制器与系统总线的连接方法，有两种结构可以考虑： 程序计数器、指令寄存器、数据寄存器、地址寄存器都与系统总线有直接连接。 只有数据寄存器和地址寄存器与系统总线连接。程序计数器和指令寄存器不与系统总线连接。程序计数器内容必须先送到地
11、址寄存器，然后才能到地址总线。从存储器中读出的指令必须先送到数据寄存器，然后才能到指令寄存器。,三、仿真设计仿真波形数据，模拟取指令、访存取数据、访存存数据等操作。要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,盛建伦 ,18,实验课题5 组合逻辑控制单元设计,实验内容：,按照题目要求用硬布线（组合逻辑）控制法设计一个简单模型机的控制单元CU（微操作信号产生电路），决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计1指令译码器功能要求：3-8译码器。,（4学时）,盛建伦 ,19,实验课题5
12、 组合逻辑控制单元设计,实验内容：,一、主要元件设计2控制单元功能要求：假设该模型机有8条不同类型的指令。包括：算术运算、逻辑运算、移位、数据传送、访存操作、转移等。根据每条指令的功能和时序，分析其执行过程中需要在各个阶段产生的全部微操作，导出产生这些微操作控制信号的逻辑。提示：需要决定指令周期包括哪几个机器周期，每个机器周期包括几拍，每拍包括几个时钟，以及时钟周期是多少nS。有些操作可能还需要规定是在时钟的上升沿或是在时钟的下降沿进行。,盛建伦 ,20,实验课题5 组合逻辑控制单元设计,二、顶层设计用层次结构设计的方法设计一个控制单元CU（微操作控制信号产生电路）。包括指令译码器和控制单元。
13、功能要求：能够正确产生8条不同指令在执行过程中（每个机器周期、每拍）发出的全部微操作。,三、仿真设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,提示：仿真输入波形包括三级时序信号。,21,实验课题6 微程序控制单元设计,实验内容：,按照题目要求用微程序控制法设计一个简单模型机的控制单元（微操作信号产生电路），决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计1指令译码器功能要求：有8个存储单元，每个单元5位的ROM。2控制存储器功能要求：32字的ROM。每个单元的位数根据
14、微指令的字长决定。3微指令寄存器功能要求：位数根据微指令的字长决定。,（4学时）,22,实验课题6 微程序控制单元设计,实验内容：,一、主要元件设计4微指令和微程序功能要求：假设该模型机有8条不同类型的指令。包括：算术运算、逻辑运算、移位、数据传送、访存操作、转移等。根据每条指令的功能和时序，分析其执行过程中需要在各个阶段产生的全部微操作，设计微指令格式、微指令和微程序。将微程序保存在控制存储器中。提示1：指令和微操作可利用组合逻辑控制单元设计实验的结果。提示2：微指令的控制字段有若干种设计方法可以选用。5其他元件根据所设计的微程序控制器结构，还可以有其他元件,盛建伦 ,23,实验课题6 微程
15、序控制单元设计,二、顶层设计用层次结构设计的方法设计一个控制单元（微操作控制信号产生电路）。包括指令译码器、控制存储器、微指令寄存器等元件。功能要求：能够正确产生8条不同指令在执行过程中（每个机器周期）发出的全部微操作。,三、仿真设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。,提示：仿真输入波形包括时序信号。,24,实验课题7 运算器设计,实验内容： 设计一个简单的16位定点运算器逻辑结构。,按照题目要求设计计算机运算器的基本逻辑，决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。,一、主要元件设计116位ALU可以利用前面实验设计的ALU的逻辑。2通用寄存器组可以利用前面实验设计的通用寄存器组的逻辑。3暂存器16位（电平触发的）锁存器。CLK=1，写入。,
