华中科技大学组成原理课设报告.pdf

发布时间：2022-06-21 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.14M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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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： U200915089 姓名：朱胜本电话： 18971072809 邮件： 337075552@qq.com 实验台： 43 台同组：李罡完成日期： 2012-03-07 周三下午指导教师：王晓兰吴菲周建国孙百勇计算机科学与技术学院

华中科技大学课程设计报告目录课程设计任务书 ............................................................................................4 一、设计题目 ............................................................................................................................................................................6 二、设计内容 ............................................................................................................................................................................6 三、设计要求 ............................................................................................................................................................................6 四、设计流程 ............................................................................................................................................................................6 五、成绩评定 ............................................................................................................................................................................6 六、设计报告要求 ...................................................................................................................................................................6 七、时间安排 ............................................................................................................................................................................6 八、主要参考文献 ...................................................................................................................................................................6 实验概述........................................................................................................6 一、设计目的 ............................................................................................................................................................................6 二、设计任务 ............................................................................................................................................................................6 三、设计要求 ............................................................................................................................................................................7 实验原理与环境 ............................................................................................8 一、实验原理 ............................................................................................................................................................................8 二、实验环境 ............................................................................................................................................................................9 总体设计方案 .............................................................................................. 10 一、需求分析 ..........................................................................................................................................................................10 二、硬件设计 ..........................................................................................................................................................................10 2.1.总体设计............................................................................................................................. 10 2.2.运算器 ALU 部分 .................................................................................................................. 12 2.3.存储器 MEM 部分 ................................................................................................................. 12 2.3.地址计数器 PC 部分 ............................................................................................................. 13 2.4.指令寄存器及控存部分......................................................................................................... 13 2.5.时序逻辑电路部分 ............................................................................................................... 13 三、软件设计 ..........................................................................................................................................................................14 3.1.机器指令设计 ...................................................................................................................... 14 3.2.微程序设计 ......................................................................................................................... 14 9 / 3 / 2 1 0 2 | 1 1

华中科技大学课程设计报告详细设计与实现 .......................................................................................... 15 一、选用芯片 ..........................................................................................................................................................................15 二、硬件原理图......................................................................................................................................................................17 2.1.运算通路部分 ...................................................................................................................... 17 2.2.PC 及 AR 部分 ...................................................................................................................... 19 2.3.存储通路实现 ...................................................................................................................... 21 2.4.控存电路部分 ...................................................................................................................... 22 2.5.时序逻辑电路 ...................................................................................................................... 22 2.6. 周期产生电路 ..................................................................................................................... 25 2.7.其它附加电路 ...................................................................................................................... 25 三、软件实现 ..........................................................................................................................................................................26  3.1.机器指令系统实现 ............................................................................................................... 26 3.1.1.指令格式 ....................................................................................................................................................26 3.2.微指令实现 ......................................................................................................................... 31 3.2.1.控制点说明 ................................................................................................................................................31 3.2.2.微指令格式 ................................................................................................................................................32 3.2.3.微指令与周期、节拍的关系.................................................................................................................32 3.2.4.每个指令的微程序...................................................................................................................................34 3.2.5.控点逻辑表达式 .......................................................................................................................................34      实验过程与技巧 .......................................................................................... 36 一、实验进度甘特图.............................................................................................................................................................36 二、检测硬件 ..........................................................................................................................................................................36 三、连接芯片 ..........................................................................................................................................................................37 四、调试数据通路 .................................................................................................................................................................37 五、写主\控存 ........................................................................................................................................................................38 六、下载时序电路部分，连接脉冲 ..................................................................................................................................38 七、单步执行，逐个检查指令 ...........................................................................................................................................38 八、连续执行 ..........................................................................................................................................................................38 完整测试过程 .............................................................................................. 39 遇到的问题与解决方案 ............................................................................... 41 一、QUARTUS 上的 74 系列和指导书上的 74LS 系列引脚不同................................................................................41 二、将 DRIN 和 DROUT 记反了 ........................................................................................................................................41 9 / 3 / 2 1 0 2 | 2

华中科技大学课程设计报告三、373 的输入端产生了输出，造成冲突.......................................................................................................................41 四、不是问题的问题：BUS 上全是 1 ...............................................................................................................................42 五、2816 存储失常 .................................................................................................................................................................44 六、脉冲不能正常产生 ........................................................................................................................................................44 七、FPGA 输入引脚产生输出 .............................................................................................................................................45 八、LOAD 指令不正常 .........................................................................................................................................................45 九、减法不对 ..........................................................................................................................................................................46 十、PC 一次跳两个..............................................................................................................................................................466 实验感想鸣谢 ............................................................................................. 47 参考文献....................................................................................................... 49 9 / 3 / 2 1 0 2 | 3 3

华中科技大学课程设计报告课程设计任务书一、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（Field Programmable Gate Array），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。 9 / 3 / 2 1 0 2 | 4

华中科技大学课程设计报告五、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，页数在 20 页左右，字数不低于 5000，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. 9 / 3 / 2 1 0 2 | 5 5

华中科技大学课程设计报告  实验概述一、设计目的计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计是学完该课程并进行了多个单元实验后，综合利用所学的理论知识，并结合在单元实验中所积累的计算机部件设计和调试方法，设计出一套支持自有指令系统的简单计算机系统。通过动手实践加深理解计算机核心部件 CPU(center Unit Process)的工作流程，明白冯诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能，进一步建立整机的概念。学会设计一套完整的微程序，并通过其准确无误的控制 CPU 的运行,执行简单的指令。同时，通过这个设计型实验，不但可以提高自己的设计能力，而且通过进行主机系统及底层功能部件电路的设计及实现、系统的故障分析与定位、系统调式等环节的锻炼，进一步提高分析和解决问题的能力。二、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。所设计的主机系统能支持自动和单步运行方式，而且在单步\自动切换时不能拆拔线。，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。具体设计任务如下：  设计微程序控制器或硬布线控制器或两者相结合方式的 CPU 控制器。  利用所设计的 CPU 在实验台上完整实现.要求部分功能利用 FPGA 实现,部分功能用芯片连接实现。  支持的运算包括：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等 10 条以上指令。  寻址方式可以有：支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址(寄存器寻址)等几种基本寻址方式。  可以设计寄存器组（不硬性要求）。  有一个取指周期和一个或多个执行周期。  M 不用显性实现，但一个周期应有多个节拍。  推荐采用流水线方式。 9 / 3 / 2 1 0 2 | 6

华中科技大学课程设计报告三、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：  根据课设指导书的要求，制定设计方案。  画出自己所涉及计算机系统的原理框图和详细的器件引脚图，尤其要仔细标出每个器件的控制点名字、位置。  如果时间允许可以先在 Quartus 上模拟实验。  根据设计的引脚图在实验台上连线，手动验证数据通路的正确性。  根据自己的原理图、周期和节拍，为各条指令设计微控制信号及操作。  画出所有指令的微程序表，设计操作码、控存等。  将设计好的微命令存入控存中，将控存与所有控制点相连接。  给出时序节拍，验证单条指令的正确性。  为主存写入多条指令，验证程序连续执行的正确性。分析设计实现检测验收 9 / 3 / 2 1 0 2 | 7 7

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