计算机组成原理cpu设计.doc

XXXXXXXX
信息工程学院
计算机组成原理课程设计报告
题目16位模拟机的设计
姓名XXXXXX
学号____________
班号__________
同组人员
指导老师
成绩
2010年12月30日
目录

1.课程设计目的 2
2.开发工具选择 2
3.方案选择 2
4．指令系统设计 2
5.模型机框图设计 4
6.指令流程图 5
7.微指令格式 5
8.VHDL实现 7
9.调试仿真 15
10.课程设计回顾总结 19
参考文献 19
附录 另附excle表

一、课程设计的目的
(1).计算机组成原理课程设计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，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。
二、开发工具选择
利用QuartusII软件，在此平台上，采用硬件描述语言VHDL为设计工具，编写并调试VHDL程序，然后做功能仿真，以实现想要的功能。
三、方案选择
设计一个16位模型计算机：采用单总线微程序控制方式，两种寻址方式（直接寻址、寄存器寻址）。
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，将它存入一个专用寄存器（即控制存储器）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
微程序控制器基本框图如下：（如图1所示）
微地址字段
............
微命令字段
译码器
微命令序列
…......
微指令存储器uAR
指令代码
IR
PC
微地址
形成电路
微地址寄存器uAR
控制存储器CM

图1微程序控制器基本框图

四、指令系统设计
（1）指令格式
模型机采用定长指令格式，每条指令16位长，操作码占4位（15~12位），两个操作数各占6位，每个操作数的寻址方式各占一位，源操作数的寻址方式为5位，操作数占4~0位，目的操作数的寻址方式占第11位，操作数占第10~6位。当寻址方式为直接寻址时，操作数位置上是内存地址号，当为寄存器寻址时，操作数位置上是寄存器号。涉及到的操作有LOAD、ADD、SUB、AND、OR、JZ、STA、INC、DEC、NOT、JMP、NOP等等。
151211106540
OP寻址方式寄存器号或内存号寻址方式寄存器号或内存号目的操作数源操作数
（2）寻址方式
编号寻址方式含义0直接寻址主存中为操作数1寄存器寻址寄存器中为操作数表1寻址方式
（3）指令类型

操作编码含义ADD0000加SUB0001减AND0010与OR0011或JZ0100判断相等STA0101传送LOAD0110赋初值INC0111自增DEC1000自减NOT1001非JMP1010无条件跳转NOP1011无操作表2指令类型
（4）通用寄存器
寄存器编号R00000R10001R20010R30011表3寄存器编号
（5）指令举例
按下列顺序执行各指令。
内存号指令描述0LOADRi将操作数2赋值给所有寄存器1ADD[15]R1将R1寄存器内容与内存中对应操作数4相加2SUB[14]R0将内存中对应操作数3与R0寄存器内容相减3AND[15]R2将R2寄存器内容与内存中对应操作数4相与4OR[14]R0将R0寄存器内容与内存中对应操作数3相或5JZ[16]R2判断R2寄存器内容跟内存中对应操作数5是否相等6STA[17]R3把R3寄存器内容放入指定内存单元7INC[14]将主存中单元内容自增8DEC[15]将主存中单元内容自减9NOT[13]将主存中单元内容取反10NOP空操作11JMP[13]强制跳转到主存内容所指向的指令处执行12112号内存单元中为113213号内存单元中为214314号内存单元中为315415号内存单元中为416516号内存单元中为5表4要做的机器指令
五、模型机框图设计
模型机数据通路如下
图2数据通路结构图
寄存器的位数
所有的寄存器都均为16位：
通用寄存