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1、理工大学学士学位论文I摘 要 随着计算机在人们生活中重要性和不可或缺性的提高，为了更方便的为大众使用，发展计算机性能成为 IT 行业的热点，但计算机的内部结构极其复杂，为了便于研究便产生了模型计算机。本文完成了基于 VHDL 的 8 位模型计算机的设计与实现。文中首先阐述了 8 位模型计算机的原理，然后对其十个功能模块（算术逻辑运算单元，累加器，控制器，地址寄存器，程序计数器，数据寄存器，存储器，节拍发生器，时钟信号源，指令寄存器和指令译码器）进行了分析与设计。最后在 Quartus II 9.0 环境下进行了仿真，完成了 8 位模型计算机的整体实现。本文综合了计算机组成原理和数字逻辑与系统设
2、计的知识，设计的 8 位模型计算机能更方便的了解计算机内部构造和工作原理。整个系统的开发体现了在 Quartus II 软件平台上用 VHDL 设计数字控制系统的实用性。关键词：8 位模型机 ； Quartus II ；VHDL 语言 理工大学学士学位论文IIAbstractWith the improvement of importance and indispensability in computer in peoples life,in order to use more conveniently for public ,computer performance is becoming
3、 a hot in the IT industry development.but the internal structure of the computer is very complicate,Computer model simplifies the difficulty of the research.This article completed the design and implementation of eight model computer based on VHDL.First ,this article expounds the principle of eight
4、model computer,then divides it into 10 modules(arithmetic logic unit, accumulator, controllers, address register, the program counter and data registers, memory, beat generator, a clock signal, instruction register and instruction decoder)and analyse and design each of them.Finally under the environ
5、ment of the Quartus II 9.0 simulation, completed overall implementation of the 8 model computer.The analysis and design of the eight model computer integrated the knowledge of computer constitute principle and Digital logic and system design. The design of the eight model computer can be more conven
6、ient to understand internal structure and working principle.The whole system development manifests the practicability of designing the numerical control system on the Quartus II software platform with VHDL.Key words: eight model computer ; VHDL language; Quartus II 理工大学学士学位论文III目目 录录1 绪论.11.1 本课题研究的
7、目的.11.2 本课题研究的背景及意义.12 基于 VHDL 编程的基础知识42.1 VHDL 语言概述.42.2 VHDL 的设计流程.52.3 有关 Quartus II 的介绍 .62.4 本课题基于 Quartus II 的设计流程 83 基于 VHDL8 位模型机的原理与设计93.1 模型计算机的原理.93.2 模型机的总体设计要求.93.3 模型机逻辑框图的设计.103.3 模型机的指令系统设计.103.4 模型机的指令执行流程设计.113.5 基于 VHDL8 位模型机各模块的设计与实现123.5.1 算术逻辑单元 ALU 模块 123.5.2 累加器模块.143.5.3 控制器
8、模块.183.5.4 节拍发生器.213.5.5 指令寄存器模块 IR 和指令译码器.243.5.6 时钟产生器.283.5.7 程序计数器模块.303.5.8 地址寄存器 MAR.333.5.9 存储器 RAM.363.5.10 数据寄存器 DR384 基于 VHDL 的 8 位模型计算机的实现424.1 基于 VHDL 的微程序执行流程图424.2 8 位模型机的顶层原理图设计43理工大学学士学位论文IV4.3 基于 VHDL 的 8 位模型机工作流程444.4 顶层 VHDL 源程序设计454.4.1 头文件 cpu_defs 的 VHDL 设计.454.4.2 CPU 的 VHDL 源
9、程序设计.464.5 8 位模型机的整体实现54结 论.57致 谢.58参考文献.59附录 A 英文原文.60附录 B 汉语翻译.70理工大学学士学位论文11 绪论1.1 本课题研究的目的本课题的主要任务是通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题。综合运用所学计算机组成原理知识和VHDL语言编程技术，在Quartus II环境下实现8位模型计算机功能并进行波形仿真。融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识。1.2 本课题研究的背景及意义计算机日新月异的发展已经成为人们生活中不可或缺的工具，在我国电子计算机虽然起步较晚，但是发展较快
10、。从 20 世纪 50 年代开始研制高性能计算机，其发展的阶段与国际发展相类似，也经历了大型机，超级计算机，高性能计算机时代。第一阶段（19571962 年）1957 年，哈尔滨工业大学研制成功了中国第一台模拟式电子计算机。1958 年，中国第一台计算机103 型通用数字电子计算机由中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制成功，运行速度每秒 1500 次，字长 31 位，内存容量 1024B。1959 年，中国研制成功 104 型电子计算机，内存容量为 2048B，字长 39 位，运算速度为每秒 10000 次，为我国尖端武器的发展做出了重要贡献。1960 年，中国第一台大型通用电子计算机107
11、 型通用电子计算机研制成功，其字长 32 位，内存容量为 1024B，有加减乘除等16 条指令，主要用于弹道计算。第二阶段（19631972 年）1963 年，中国第一台大型晶体管电子计算机109 机研制成功。这标志着中国电子计算机进入了第二代。1964 年，441B 全晶体管计算机研制成功，字长 40 位。1965 年，中国第一台百万次集成电子计算机 DJS-型的操作系统编制完成。1967 年，新型晶体管大型通用数字计算机诞生。1968 年，北京大学承接研制百万次集成电路数字电子计算机150 机。1970 年，中国第一台具有多道程序分时操作系统和标准汇编语言的计算机411B-型全晶体管计算机
12、研制成功。1972 年，每秒运算 11 万次的大型集成电路通用数字电子计算机研制成功。第三阶段（19731982 年）1973 年，中国第一台百万次集成电路电子计算机研制成功，字长 48 位，存储容量理工大学学士学位论文213KB。1974 年，DJS-130，131，132，135，140，152，153 等 13 个机型先后研制成功。1976 年，DJS-183，184，185，186，1804 机研制成功。我国台湾省台中农学院发明了第一代仓颉输入法。1977 年，中国第一台微型计算机 DJS-050 机研制成功。1979年，中国研制成功每秒运算 500 万次的集成电路计算机HDS-9。1
13、981 年，中国研制成功的 260 机平均运算速度达到每秒 1000 万次。 信息交换用汉字编码字符集基本集GB 23121980 国家标准正式发布实施。第四阶段（19831992 年）1983 年，国防科技大学研制成功“银河 I 型”巨型计算机，运算速度达到每秒 1 亿次。1985 年，华光 I 型汉字激光照排系统投入生产。1986 年，中华学习机投入生产。1987 年，第一台国产的 286 微机长城 286 正式推出。1988 年，第一台国产 386 微机长城 386 推出，中国发现首例计算机病毒。1990 年，中国首台高智能计算机EST/IS 4260 智能工作站诞生，长城 486 计算
14、机问世。1992 年，中 国最大的汉字字符集6 万计算机汉字字库正式建立。第五阶段（1992 年至今）1993 年，中国第一台 10 亿次巨型银河计算机 II 型通过鉴定。1995 年，曙光 1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒 25 亿次。1997 年，银河-并行巨型计算机研制成功。1999 年，银河-巨型机研制成功。而在国外电子计算机要比我们早十几年。世界上第一台电子数字式计算机于 1946年 2 月 15 日在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它的名称叫 ENIAC，是电子数值积分式计算机(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)
15、的缩写。它使用了 17468个真空电子管，耗电 174 千瓦，占地 170 平方米，重达 30 吨，每秒钟可进行 5000 次加法运算。ENIAC 诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。可将计算机的发展过程分成以下几个阶
16、段：第一代为电子管计算机；第二代为晶体管计算机；第三代为中小规模集成电路计算机；第四代为大规模、超大规模集成电路计算机；第五代为巨大规模集成电路新一代计算机（1990 年至现在） 。理工大学学士学位论文3四代机出现以后，日、美、欧等从 20 世纪 80 年代开始，积极开展新一代计算机的研究，但由于对新一代计算机的过高期望，使得至今仍未有突破性进展，还没有哪一种计算机被人们公认为新一代计算机的典型代表。当前，人们在改进计算机芯片制造工艺的同时，大力研究新型计算机元件。光子元件、超导元件、生物电子元件、神经网络系统等研究已见端倪，新一代计算机的曙光已经出现。目前，计算机技术正朝着微型化、巨型化、网络化、智能化、多媒体化等方向发展。而模型计算机是将计算机的简化，实现相同功能，在理解和研究方面更方便，更快捷，由此更受到界内人士的好评。模型计算机的研究仍在发展当中，国内外还没有太多的资料结果显示，本课题就是模型计算机的具体内部构造，实现各部分部件功能，了
