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1、嵌入式的8位CISC模型机设计目录一、实验目的二、设计题目及要求三、设计方案：1. 模型机的总体设计2. 微程序控制器的组成原理框图3. 模型机机器指令格式和指令系统4. 时序产生器的设计原理及时序波形图5. 微程序流程图6. 汇编语言源程序四、设计的过程与步骤五、模型机的各单元VHDL源程序六、模型机系统顶层电路图七、模型机的时序仿真波形图八、设计总结九、参考文献韶关学院课程设计任务书学生姓名XXX专业班级10级1班学号XXXXXXXXXX指导教帀姓名及职称彭玄璋讲师设计地点信息418设计题目 嵌入式的8位CISC模型机设计本课程设计课题任务的内容和要求题目1：设计一台嵌入式的8位CISC模
2、型计算机，并运行能完成一定功能的机器语言程序进 行验证，程序功能是：求出1到任意一个整数N之间的所有奇数之和并输出显示，和为单字长。说明：N从开关输入，和从数码管输出，然后输出显示停止。对本课程设计工作任务及工作量的要求：课程设计完成工作任务内容如下：（1）完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图。（2） 设计微程序控制器（CISC模型计算机）或硬联线控制器（RISC模型计算机）的逻辑 结构图。（3）设计机器指令格式和指令系统。（4）设计时序产生器电路。（5） 设计所有机器指令的微程序流程图（CISC模型计算机）或CPU操作流程图（RISC模 型计算机）。（6）设计操作控制单元。 若设计的是
3、CISC模型计算机，则设计微指令格式（建议采用全水平型微指令），并 根据微程序流程图和微指令格式设计微指令代码表。根据微程序控制器的逻辑结构 框图、微指令格式和微指令代码设计微程序控制器，包括地址转移逻辑电路、微地 址寄存器、微命令寄存器和控制存储器。 若设计的是RISC模型计算机，则根据CPU操作流程图、RISC模型机数据通路框图、 硬联线控制器逻辑框图和时序产生器电路写出模型机中所有控制信号的逻辑表达 式。根据逻辑表达式设计RISC CPU中的硬联线控制器。（7）完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图。（8） 设计微程序控制器（CISC模型计算机）或硬联线控制器（RISC模型计算机）的
4、逻辑 结构图。（9）设计机器指令格式和指令系统。（10）设计时序产生器电路。(11)(12)(13)(14)设计模型机的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件一一图形描述文件） 对模型机中的各个部件进行编程，并使之成为一个的整体，即形成顶层电路或顶层 文件。由给出的题目和设计的指令系统编写相应汇编语言源程序（验证程序）。根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序，并将其设计 到模型机的ROM中。使用EDA软件Quartusll进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求（其中要利 用Quartusll提供的波形编辑器，选择合适的输入/输出信号及中间信号进行调试）。 在
5、DE2-70实验箱上进行下载，硬件验证。（15）课程设计应完成的图纸和程序:（1）（2）（3）（4）顶层设计的电路原理图； 元件（模块）符号图； 仿真波形图；各个部件（模块）的VHDL设计源程序。进度安排时间为16学时，分散在9周进行，每周2学时。第1-4周：模型计算机设计辅导教学讲座；第6-9周：EDA基础实验训练，确定课程设计题目；第10-15周：进行资料收集和学习、模型机设计方案确定、电路设计、程序设计与 计算机仿真和硬件验证；4、第15-16周：编写上交课程设计实验报告。1、2、3、主要参考文献12345陈智勇等编. 潘松黄继业编. 罗克露等编.江国强编.计算机原理课程设计EDA技术实
6、用教程（第二版）. 计算机组成原理EDA技术习题与实验西安电子科技大学.2006年6月 科学出版社2005年2月 电子工业出版社2004年8月电子工业出版社2005年1月彭玄璋编基于EDA技术的组成原理课程设计实验指导书（自编教材）2010年3月院系（或教研室）审核意见:审核人签名及系公章:任务下达人彭玄璋任务接受人（签字）2012年9月4日（签字）年 月曰嵌入式的8位CISC模型机设计二、实验目的：1. 通过课程设计加深对计算机各功能部件的理解；掌握数据信息流和控制信 息流的流动和实现过程，建立起整机概念；培养设计、开发和调试计算机的能力。2. 提高使用EDA工具软件和可编程器件芯片的基本技
7、能。3. 培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验。二、设计题目及要求：设计一台8位的CISC模型机，要求具有以下验证程序所要求的功能：求出1到任意一个整数N之间的所有奇数之和并输出显示，和单字节长。说明: N从开关输入，和数码管输出，然后输出显示停止。三、设计方案：1模型机的总体设计模型机的总体设计的内容包括确定各种部件的设置以及它们之间的数据 通路结构。CISC模型机由CISC微处理器、地址寄存器AR、ROM和RAM存储器等组成。 微处理器由算术逻辑运算单元ALU、状态条件寄存器、累加器AC、数据暂存器DR、 通用寄存器R0R2、程序计数器PC、指令寄存器IR、操作控
8、制器和时序产生器组 成。CISC模型机的操作控制器采用微程序控制器。根据模型机功能要求，画出如 图1所示模型机数据通路框图。图1模型机数据通路框图2. 微程序控制器的组成原理框图微程序控制器组成原理框图如图2所示。它主要由控制器、微指令寄存器 和地址转移逻辑电路三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命 令寄存器两部分。描令寄存嚣【R图2 微程序控制器组成原理框图3. 模型机机器指令格式和指令系统CISC模型机的指令系统采用复杂的指令格式、多种指令字长度和多种寻 址方式，但指令功能强大，单条指令的执行速度较慢。为了完成题目所要求的功 能，模型机的指令系统共设计了 8条不同的功能指令。
9、指令字长度有单字长（1 个字节）和双字长（2个字节）两种；寻址方式有三种，分别是寄存器寻址、直 接寻址和立即寻址。这8条指令是IN1 （输入），MOV （将一个数送入寄存器）， CMP （比较），JB （小于跳转），ADD （两数相加），INC （自增1）, JMP （无条 件跳转），OUT1 （输出）。下面分别介绍这些指令的格式：（1）、I/O指令输入（IN1）采用单字节指令，其格式如下:765432.1 0操柞码X XRd输入（OUT1 ）采用单字节指令，其格式如下:765321 0操作码RsX X说明：RS为源寄存器，RD为目的寄存器。（2）、转移指令条件转移指令（JB）和无条件转移指令
10、（JMP）采用双字节指令，其格式如下:76542 .1 0操柞码XXX Xaddr“addr”中的值就是要转移的地址值。（3）、比较指令和相加指令比较（CMP）指令和相加指令（ADD）采用单字节指令，其格式如下:7654321 0操作码RsRd（4）、MOV 指令MOV指令采用双字节指令，其格式如下:/654321 0操作码X XRddata说明：“data”为立即数。（5）、自增指令自增1指令（INC）指令采用单字节指令，其格式如下:7651321 0操作码X XRd以下是对Rs和Rd的规定:Rs 或 Rd选建的寄存器00R001R110R2模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为
11、8位，其 格式如下：i6543210符号位尾数模型机的指令系统中共有8条基本指令，表1列出每条指令的助记符号、指令 格式和功能。表1 8条机器指令的助记符号、指令格式和功能4. 时序产生器的设计原理及时序波形图CISC微处理器的时钟信号Q和清除信号CLR由外部输入，节拍脉冲信号Ti由时 序产生器产生。图4-14描述了节拍脉冲信号与外部时钟信号、清除信号的时序关 系。由图3可以看出，节拍脉冲信号T1、T2、T3、T4实际上是以Q为时钟输入信号 的计数状态经过译码器译码后生成的，因此可写出节拍脉冲信号的逻辑表达式， 并用V HDL语言实现之，然后将它创建为一个元件符号，供顶层电路调用。7丨q _h
12、Jn_rLrurLTLt, J iI tT211T41,一个CPU周期图3 Tl、T2、T3、T4与CLR、Q之间的时序关系图如果系统的时钟控制信号（即工作脉冲P）是在Tl、T2、T3或T4的中间产生, 且上升沿有效，则它产生方法是：先将Q取反，再和节拍脉冲信号Ti相“与”得 到。如图4所示。JLTLTLrLTLn- Q-LTT-rLTU-LTT-Tlil丨！丨QANDTIh图4 时钟控制信号的形成方法5. 微程序流程图根据模型机的数据通路图（图1）以及所有指令在CISC模型机中的操作过程, 画出所有机器指令的微程序流程图，如图5所示。图中每个框为一个CPU周期（包 含T1T4共4个节拍脉冲周
13、期）对应于一条微指令。框中上面的十六进制数表示 的是当前微指令在控制存储器中的微地址；框中下面的十六进制数表示的是当前 微指令的后续微坡地。在编写微指令时，图中的菱形框从属于它上面的方框。PC-* ARPC + 1PCI)RDM BUS- JRotrrt1湖0910A、1 0B0Ct 0D1 0ECMPJBADDINCJMPMOVOFRdBUS BUSACPCAR pc+iPC-ARPC+iRlRUS BLfSACSWBUS BUSRdRsBUS BUSAC04RdRf.TS BUSDR05AC-DR锁存FC和FZROMBITS BUS-*kd2006PC 十 AR pc+i12130007A
14、C+DR-*RdR/tFLI15：BUS-*DRROMRLS BUS* PCFZ=J 或 FC=0F2=0 / 且FC=IAC+ l-RIKBUS-*RdROM-BUSBUS-* PC图5CISC模型机中所有机器指令的微程序流程图6. 汇编语言源程序算法思想为：采用R0寄存器存放从开关输入的任意一个整数，R1存放准备参 加累加运算的奇数，R2存放累加的和，用一个循环程序实现如下：IN1 R0MOV R1,1MOV R2,0L1:CMP R0,R1JB L2ADD R1,R2INC R1INC R1JMP L1功能从开关输入任意一个整数nRO将立即数1R1 （R1用于存放参与运算的奇数）将立即数0R2 （R2用于存放累加和）将R0的整数n与R1的奇数进行比
