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计算机组成原理课设报告--8位模型计算机的设计与实现.doc

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一、课题的主要功能
二设计方案
1、模型机的逻辑框图
2、模型机的数据格式和指令系统
3、模型机的寻址方式
4、模型机的指令执行流程
5、模型机的微操作控制信号及其实现方法
三、主要功能的实现
四、各功能部件的VHDL的实现及仿真波形
1、ALU运算器
2、程序计数器
3、累加器
4、IR寄存器
5、RAM静态储存器
6、硬布线控制器
7、由六大模块组成的模型机
五、课程设计的收获及体会
六、参考资料
计算机科学与技术系课程设计评分表
附录:8位模型机的VHDL程序
课 程 设 计 报 告 课程名称 计算机组成原理 课题名称 8 位模型计算机的设计与实现 1
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”。 3
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 4
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