计算机组成原理课设—小型CPU.doc-资料库

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2012 计算机组成原理课程设计报告基于微程序控制器的题目：简单计算机系统设计与实现专业：计算机科学与技术班级： CS0907 学号： U200915075 姓名：刘珂男电话： 15071036765 邮件： 630433811@qq.com 实验台： 38 台同组：陈克完成日期： 2012-03-04 周日下午指导教师：刘景宁吴非谭志虎孙百勇计算机科学与技术学院

课程设计任务书一、设计题目基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现二、设计内容设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。在对该模型机系统中的部件功能利用 EDA 软件的仿真功能进行仿真分析和功能验证的基础上，将部分电路下载到 FPGA，并与适当的外围器件相配合，实现模型机的整机系统。要求所设计的整机系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存中的程序的功能，对主要的数据流和控制流通过 LED 适时显示信息。三、设计要求 1) 支持算术运算、逻辑运算、存储器读写、寄存器间数据传送等几类指令； 2) 支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、寄存器寻址等几种基本数据寻址方式和顺序寻址、跳跃寻址方式； 3) 支持 10 条以上的指令； 4) 能运行由自己设计的指令系统构成的一段程序，程序执行功能正确。四、设计流程 1) 根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案； 2) 画出模型计算机系统的原理框图和器件连接图，分析器件连接图中各器件不同引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序来控制，以及这些控制信号的有效形式； 3) 画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号； 4) 设计出实现指令功能的微程序控制器或硬布线控制器； 5) 布线、调试、验收； 6) 课程设计报告和总结。

五、成绩评定成绩评定根据考勤、课程设计的过程、课程设计的效果、课程设计报告质量等进行综合评定；其中设计过程和结果占 70%，课程设计报告占 30%；课程设计的成绩评定等级为不及格、及格、中、良好、优秀五级；对基本功能进行扩展或设计具有非常鲜明的特征和一定程度的创新，可根据实际情况加分。六、设计报告要求课程设计报告主要内容包括：设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、参考文献等。要求在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。总结部分主要写设计工作简介以及设计体会。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。课程设计报告采用《计算机组成原理》专用设计报告模板，A4 纸双面打印，除框图外需附下载的设计图以及微指令控制点图。七、时间安排课程设计的总体时间为 2 周，具体安排如下: 1) 第 1 天：到实验室布置任务和集中讲解。 2) 第 2 天：学生自己设计，选择并熟悉自己所要的芯片。 3) 第 3 天：领导线和芯片，进行芯片功能测试，在此基础上修改完善原设计方案。 4) 第 4 天到第 10 天：实验室调试、验收。八、主要参考文献 [1] 秦磊华，王小兰. 计算机组成原理实验指导及课程设计指导书(基于 EDA 平台). 武汉：华中科技大学出版社，2010 年. [2] 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，2011 年. [3] DAVID A.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第 3 版).北京：机械工业出版社. 2007 年. [4] 袁春风编著. 计算机组成与系统结构. 北京：清华大学出版社，2011 年.

目录 1 课程设计概述..........................................................................................7 1.1 课设目的.............................................................................................. 7 1.2 设计任务.............................................................................................. 7 1.3 设计要求.............................................................................................. 8 2 实验原理与环境......................................................................................9 2.1 实验原理.............................................................................................. 9 2.2 实验环境.............................................................................................. 9 3 总体方案设计........................................................................................10 3.1 需求分析............................................................................................ 10 3.2 硬件设计............................................................................................ 10 3.3 软件设计............................................................................................ 16 4 详细设计与实现.................................................................................... 18 4.1 选用芯片............................................................................................ 18 4.2 硬件实现............................................................................................ 24 4.3 软件实现............................................................................................ 30 5 实验过程与调试.................................................................................... 48 5.1 仿真 XXX.............................................................................................48 5.2 主要故障与调试..............................................................................XLVI 5.3 功能测试...................................................................................... 5XLVII 5.4 实验流程图........................................................................................ 53 6 设计总结与心得.................................................................................... 55

6.1 课设总结............................................................................................ 55 6.2 课设心得............................................................................................ 57 参考文献................................................................................................... 59 附录（实验电路大图及部分重要的图）附在纸质档后面

1.1 课设目的 1、课程设计概述计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课,也是作为计算机专业的学生应该要好好掌握的重要学科。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，考验同学的创新思维，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。再者，组成原理课设也是对学生们一个学期的学习成果的检验和巩固，也是同学们提高分析、定位、排错能力的一次机会。 1.2 设计任务计算机系统设计的总体目标是设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。在对该模型机系统中的部件功能利用 EDA 软件的仿真功能进行仿真分析和功能验证的基础上，将部分电路下载到 FPGA，并与适当的外围器件(包括部分芯片、输入/输出开关、LED 显示等)相配合，实现模型机的主机系统。要求所设计的主机系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存中程序的功能，对主要的数据流和控制流通过 LED 适时显示信息。具体如下：  设计微程序控制器或硬布线控制器或基于微程序和硬布线相结合方式的 CPU 控制器；  利用所设计的 CPU 组成一台功能完整的模型机并基于实验平台实现.要求部分功能利用 FPGA 实现,部分功能用芯片连接实现；  所设计的模型机支持加法减运算等基本的算术运算指令、支持逻辑运算类指令、支持存储器读写指令、支持寄存器间数据传送等几类指令、支持定点数的溢出判断；  支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址(寄存器寻址)等几种基本的寻址方式；  能支持 10 条以上的指令；  能运行由自己设计的 CPU 所支持的指令系统构成的一段程序，程序执行功能正确；  根据课程设计指导书和本次课程设计的具体要求，制定出设计方案。确定 CPU 的基本结构是采用总线方式还是采用专用通路方式；

 画出自己所设计计算机系统的原理框图和器件连接图，分析器件连接图中各器件不同引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序来控制，以及这些控制信号的有效形式；  画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号；  布线、调试、验收；  鼓励完成上述基本功能的基础上进行适当扩展,比如支持流水线、支持其他寻址方式等。 1.3 设计要求根据理论课程所学的至少，设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统，具体要求如下：  利用各单元实验和课堂上所学知识，选择适当的芯片，设计简单的计算机系统；  在完成数据通路设计并验证数据通路功能的基础上增加指令和微指令控制的功能；  以手动方式产生各指令执行过程中所需要的微命令,控制指令的执行；  以自己所设计的计算机系统为硬件环境，设计出完成指定功能的各指令周期流程图，并设计出相应的微命令；  设计时序列电路，产生满足指令周期和指令执行所需要的多级时序信号；设计控存，将各指令的微程序存放在 CM 中，经过适当的时序控制，通过微程序自动控制指令的执行(当采用微程序控制器时)。

2、实验原理与环境 2.1 实验原理计算机组成原理，数字逻辑， FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、 QUARTUS 仿真等 2.2 实验环境 JZYL—II 型计算机组成原理试验台，windows xp 系统，512M 内存电脑电脑一台，Quartus II 6.0 版软件，导线若干。

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