组成原理 8位模型机的设计.doc

计算机组成原理课程设计报告

题目8位模型计算机的设计
姓名
学号
班号
指导老师
成绩

目录

HYPERLINK\l"_1.课程设计目的"1.课程设计目的 3
HYPERLINK\l"_2.开发工具选择"2.开发工具选择 3
HYPERLINK\l"_3.方案选择"3.方案选择 3
HYPERLINK\l"_4.指令系统设计"4．指令系统设计 4
HYPERLINK\l"_5.模型机框图设计"5.模型机框图设计 5
HYPERLINK\l"_6.指令流程图"6.指令流程图 6
HYPERLINK\l"_7.微指令格式（微程序控制器）设计"7.微指令格式（微程序控制器）设计 7
HYPERLINK\l"_8.微程序（微程序控制器）设计"8.微程序（微程序控制器）设计 7
HYPERLINK\l"_9.VHDL实现"9.VHDL实现 9
HYPERLINK\l"_10.调试仿真"10.调试仿真 16
HYPERLINK\l"_11.课程设计回顾总结"11.课程设计回顾总结 19
HYPERLINK\l"_参考文献"参考文献 19
HYPERLINK\l"_附录"附录………………………………………………………………………………………………19

1.课程设计目的
(1)、计算机组成原理课程设计的主要任务是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)、通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。
2.开发工具选择
以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言VHDL为设计工具，应用QUARTUSⅡ5.1环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。
3.方案选择
实习的内容为八位模型计算机的设计，为单总线，微程序控制方式，设置两种寻址方式：直接寻址（“0”）和寄存器寻址（“1”）。
微程序控制方式由微指令译码产生。微程序中一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干为命令以代码编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。然后根据系统的需要，事先编制各段微程序，将它存入控制存储器（CM）中。
微程序执行过程：
（1）从控存中逐条取出“取指令操作”，执行取指令公共操作。
（2）根据指令的操作码，经过微地址形成部件，得到这条指令的入口地址，并送入微地址寄存器中。
（3）从控存中逐条的取出对应的微指令并执行。
（4）执行完一条机器指令对应的微程序后又回到取指微程序的入口地址，继续第（1）步，以完成取下一条机器指令的公共操作。
微程序控制基本框图：

IR
PSW
PC
微地址
形成电路
微地址寄存器MAR
微指令寄存器MIR

译码器
控制存储器CM

指令代码
运行状态
……
微命令字段
微地址字段
……
微命令序列
图1微程序控制基本框

4.指令系统设计
所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：sta,add,sub,and1,jmp,shl,nop。实现功能分别如下：
sta指令实现存操作；
add指令实现加法操作；
sub指令实现减法操作；
and1指令实现与操作；
jmp指令实现无条件跳转操作；
shl指令实现逻辑左移操作；
nop指令实现空操作。
75410
操作码寻址方式标志位

图2指令格式

模拟机采用了定长的指令格式，每条指令字长为8位。采用的寻址方式为直接寻址和寄存器寻址，标志位为“0”时为直接寻址，为“1”时为寄存器寻址。

操作码类型及编码方式如下：
操作码staaddsuband1jmpshlnop编码方式000001010011100101110含义传送加减与跳转逻辑左移空
表1指令列表

5.模型机框图设计
模拟机数据通路如下图所示，模型机采用单总线结构，主要包括运部件ALU，以及程序计数器PC、累加器ACC、指令寄存器IR、数据寄存器MDR、地址寄存器MAR和通用寄存器R，RAM为内存。
微程序控制器
IR
R
PC

MAR
ACC
RAM
MDR
控制信号

ALU

图2模拟机数据通路

Flags

(1)寄存器的位数
所有的寄存器都均为8位：
通用寄存器R。该模拟机有1个通用寄存器，用于寄存器寻址时存放结果，提供操作数。
指令寄存器IR。为了提高取指令的