课 程 设 计 任 务 书
课程名称 计算机组成原理
课
题 8 位模型计算机的设计与实现
一 、 设 计 内 容 与 设 计 要 求
1.设计内容
模型机是计算机的缩细模型,通过它可以理解计算机整机的结构及功能,理
解 CPU、存储器、中断控制器、接口的结构及实现逻辑和各部件之间的接口关
系。本次课程设计的主要内容是利用 ALTERA 公司的 EPF10K10LC84-4 的内部
可编程资源,设计一个 8 位模型计算机。本课程设计的主要目的是通过部件级的
8 位模型机的设计和调试,使学生掌握计算机工作中“时间—空间”概念的理解,
从而清晰地建立计算机的整机概念,并培养学生分析和解决实际问题的能力,同
时增强学生的动手能力。
2.设计要求:
按照如下要求,设计一台硬布线控制器的 8 位模型计算机,用 VHDL 语言完成设计并
调试成功。
(1)模型机的设计要求
总线
单总线结构
数据线、地址线
指令系统
8位
寻址方式 2种(立即数寻址、直接寻址)
类型
5种(算术运算、逻辑运算、数据传送、程序控制)
指令 12条(add、sub、mul、div、neg、and 、not、 or、load、
store、branch、halt)
单累加器结构, 8种运算
硬布线,微控制信号根据需要确定
运算器
控制器
(2)模型机的逻辑框图
2
P C
R A M
A L U
A
I R
控 制 器
微 控 制 信 号
图1
8 位模型计算机逻辑框图
(3)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适
当的分析。
(4)按本任务书的要求,编写《课程设计报告》(Word 文档格式)。并用 A4 的复印纸打
印并装订。
(5)在规定的时间内,请各班学习委员收齐课程设计报告交邓作杰老师。
3.分组及安排
第 5 组为 5、10、15、20、25、30 及 30 号以后的同学,第 5 组做第 5 题,
每个同学必须独立完成指定的题目。
4.成绩评定
程序设计方案是否合理;程序设计是否正确;调试结果;设计说明书的质量
高低;答辩时回答问题情况;课程设计周表现情况;总评成绩记入“课程设计成
绩评分表”。
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目
录
一、课题的主要功能 ................................................. 1
二设计方案 ......................................................... 1
1、模型机的逻辑框图 .............................................1
2、模型机的数据格式和指令系统 ...................................2
3、模型机的寻址方式 .............................................3
4、模型机的指令执行流程 .........................................4
5、模型机的微操作控制信号及其实现方法 ...........................6
三、主要功能的实现 ................................................. 7
四、各功能部件的 VHDL 的实现及仿真波形 ............................. 11
1、ALU 运算器 .................................................. 11
2、程序计数器 ..................................................12
3、累加器 ......................................................12
4、IR 寄存器 ................................................... 13
5、RAM 静态储存器 .............................................. 14
6、硬布线控制器 ................................................15
7、由六大模块组成的模型机 ......................................17
五、课程设计的收获及体会 .......................................... 18
六、参考资料 ...................................................... 18
计算机科学与技术系课程设计评分表 .................................. 20
附录:8 位模型机的 VHDL 程序 ........................................21
4
一、课题的主要功能
(1)融会贯通本课程各章节的内容,通过知识的综合运用,加深对计算机
系统各功能部件的工作原理及相互联系的认识,加深计算机工作中“时间—空间”
概念的理解,从而清晰地建立计算机的整机概念;
(2)学习设计和调试计算机的基本步骤和方法,提高使用 Quartus II 6.0
等软件仿真工具和集成电路的基本技能;
(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。
二设计方案
1、模型机的逻辑框图
PC
RAM
ALU
A
IR
控 制 器
微 控 制 信 号
以控制器为中心,首控制器从指令寄存器取得指令,编译指令,再输出微控
制信号,控制 ALU 的运算,PC 加一,并且从 RAM 中取出数据运算,运算后再把
结果通过数据总线存到 RAM,在指令寄存器读去下一条指令,依次循环。
1
2、模型机的数据格式和指令系统
(1)数据格式:
数据的长度为 8 位,数据采用补码格式,相对于十进制数范围是:-27
功能:把 A 的内容与(X)的内容做与运算,结果放入 A 中
(6)OR
格式:
7
5 4
100
D
0
功能:把 A 的内容与(X)的内容做或运算,结果放入 A 中
(7)NOT
格式:
7
5
4
0
101
为任意值
功能:把 A 的内容求反,结果放入 A 中
(8)NEG
格式:
7
4 3
0
0011
0000
功能:把 A 的内容求补,结果放入 A 中
(9)HALT
格式:
7
4 3
0
0011
0001
功能:停机
(10)BRANCH
格式:
7
4 3
0100
D
功能:(D)->PC
0
3、模型机的寻址方式
模型主要实现的寻址方式为立即寻址和直接寻址,立即寻址的操作数在指令
中。直接寻址方式是一种基本的寻址方法,其特点是:在指令格式的地址字段中
直接指出操作数在内存中的地址D。由于操作数的地址直接给出而不需要经过某
3
种变换或运算,所以称这种寻址方式为直接寻址方式。它的操作如下图所示
指令
OP X2
D
.
.
.
S
.
.
.
采取直接寻址方式时,指令字中的形式地址D就是操作数的有效地址EA,即
操作数
EA=D。因此通常把形式地址D又称为直接地址。直接寻址的表示形式为:
操作码(OP) 直接寻址方式 操作数直接地址
4、模型机的指令执行流程
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