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1、基本模型计算机设计与实现蚂衿芅葿薈衿羄节蒄袈肇蒇蒀袇艿莀蝿袆罿薅蚅袅肁莈薁袄膃薄蒇袃芆莆螅羃羅腿蚁羂肈莅薇羁芀膈薃羀羀蒃葿罿肂芆螈羈膄蒁蚄羇芆芄薀羇羆蒀蒆肆肈节螄肅膁蒈蚀肄莃芁蚆肃肃薆薂蚀膅荿蒈虿芇薅螇蚈羇莇蚃蚇聿薃蕿螆膂莆蒅螅芄膈螃螅羄莄蝿螄膆芇蚅螃芈蒂薁螂羈芅蒇螁肀蒀螆螀膂芃蚂衿芅葿薈衿羄节蒄袈肇蒇蒀袇艿莀蝿袆罿薅蚅袅肁莈薁袄膃薄蒇袃芆莆螅羃羅腿蚁羂肈莅薇羁芀膈薃羀羀蒃葿罿肂芆螈羈膄蒁蚄羇芆芄薀羇羆蒀蒆肆肈节螄肅膁蒈蚀肄莃芁蚆肃肃薆薂蚀膅荿蒈虿芇薅螇蚈羇莇蚃蚇聿薃蕿螆膂莆蒅螅芄膈螃螅羄莄蝿螄膆芇蚅螃芈蒂薁螂羈芅蒇螁肀蒀螆螀膂芃蚂衿芅葿薈衿羄节蒄袈肇蒇蒀袇艿莀蝿袆罿薅蚅袅肁莈薁袄膃薄蒇袃芆莆
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8、组人员： 指导老师： 万鸣华 南昌航空大学信息工程学院 2012 年 1月3日 目录引言31、课程设计内容41.1 实验要求41.2 实验目的42、 实验原理及方案42.1 实验原理42.2 实验方案52.2.1 指令系统52.2.2模型计算机硬件62.2.3 微指令设计72.2.3.1 微代码定义72.2.3.2 微代码具体设计82.2.4 控制台解释微程序92.2.5 运行指令流程图93、 具体设计过程103.1 各个主要基本部件设计103.1.1 LDRO原理图113.1.2 寄存器124、程序测试和指令调试184.1 波形仿真184.2 实验调试185、 课程设计小结22参考文献23附
9、录一.24引言计算机诞生以来，计算机还是主要由运算器、控制器组成CPU，用二进制数字表示计算机的操作指令和数据，将其存放在存储器中，通过CPU自动地从存储器提取指令和数据，并按照指定的顺序完成各项任务。这也改变了又来人们的生活。同时随着大规模集成电路技术的开发，计算机组织设计与实现技术也在不断发展。现在，不仅软件可编程，硬件电路也可以编程所以，在这个时候，我们更要注重一台电子计算机的整体模型，而不是一味的强调怎样去追求这个时代的计算机发展速度。这已经成为我们为更新计算机硬件的必备知识。让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题，本次课题设计便是为此应运而生的。在这次课程设计当中，我们需要结
10、合计算机组成原理的基本理论，利用EDA技术和FPGA技术设计实现一个8位模型计算机。因此，我们需要掌握ALU，微程序控制器，时序产生电路，数据通路，存储器，指令系统单元电路的设计方法，并且在此基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。本报告便是通过对各关键部位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善的8位模型计算机系统。1、课程设计内容1.1 实验要求在Quartus 6.0上完成8位模型机的设计。具体的要求如下：（1）在定义五条机器指令，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C
11、PU. （3）在实验系统上连接输入按键和输出液晶显示屏为输出的模型计算机系统。1.2 实验目的（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；（6）通过这次的课程设计让学生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，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本的模型计算机，掌握整机概念，并
12、设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计算机上调试运行。2、 实验原理及方案2.1 实验原理本实验将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。实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU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。该模型机的总的数据通路如图2.1.1所示。图2.1.1 模型机的数据通路2.2 实验方案2.2.1 指令系统本实验采用五条机器指令。指令编码如下表：表一 指令编码助记符操作码addr地址码功能描述IN00H“INPUT”R0，键盘输入数据ADD addr10HXX
13、HR0+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，其余都是双字节指令。指令各式如表二和表三。表二 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三 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）源和目的寄存器可以是三个工作寄存器之一，寄存器标号R0为00,R1为01,R2为10。为了在试验台上用键盘输入程序和数据到内存，以及通过液晶屏显示输出，设计了3个控制台操
14、作命令，通过按键SWB 和SWA组合实现（括号中是SWB，SWA的键值）: 存储器读KRD（00）操作，存储器KWE（01）操作，启动程序执行RP（11）操作。2.2.2模型计算机硬件在本此设计的模型机硬件主要有以下部分组成：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
