計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、組成原理課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 學(xué)生班級(jí)： 計(jì)科 11200 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班內(nèi)序號(hào)： 課設(shè)日期： 2015/6/222015/7/3 目 錄一、設(shè)計(jì)目的.3二、設(shè)計(jì)要求.3三、設(shè)計(jì)方案.3四、設(shè)計(jì)過(guò)程.4五、程序與調(diào)試.11六、結(jié)果及分析.13七、收獲、體會(huì)及建議.15一、設(shè)計(jì)目的：1主要掌握微程序控制結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)機(jī)器指令和相對(duì)應(yīng)微程序的設(shè)計(jì)，加深對(duì)微程序控制器的理解，加深對(duì)微程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)的了解，加深對(duì)計(jì)算機(jī)各部件的理 解以及對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)的理解。2掌握幾種尋址方式的控制執(zhí)行過(guò)程。3了解多累加器計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。4熟悉vhdl語(yǔ)言的編程。二、設(shè)計(jì)要求：1運(yùn)算器采用單累加器多寄存

2、器結(jié)構(gòu)2指令系統(tǒng)：16條以上指令，有i/o指令，外部設(shè)備統(tǒng)一編址。3內(nèi)存尋址范圍1k以上字節(jié)尋址方式： 寄存器直接尋址 寄存器間接尋址 直接尋址 立即數(shù)尋址4可執(zhí)行從鍵盤上輸入的十進(jìn)制兩位數(shù)與兩位數(shù)加法程序并打印輸入的數(shù)據(jù)及結(jié)果或 實(shí)現(xiàn)兩數(shù)相加通過(guò)數(shù)碼管顯示結(jié)果。三、設(shè)計(jì)方案： 1設(shè)計(jì)整機(jī)邏輯框圖首先設(shè)計(jì)整機(jī)邏輯框圖，并分析各主要部件中所使用的關(guān)鍵器件，徹底理解主要芯片的工作原理。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀硬件模塊進(jìn)行邏輯剪輯組合，便可設(shè)計(jì)出該實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的整機(jī)邏輯框圖。為利于調(diào)試，應(yīng)在邏輯框圖上表明各器件的控制信號(hào)及必要的輸出信號(hào)。2指令系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)需確定實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)具

3、體由哪里指令組成，包括哪幾種類型指令，指令操作數(shù)有哪幾種尋址方式，以及指令編碼等。 指令執(zhí)行流程 一條指令從內(nèi)存取出到執(zhí)行完，需要若干個(gè)機(jī)器周期(節(jié)拍)。任何指令的第一個(gè)機(jī)器周期都是“取指令周期”，或稱為公操作周期。而一條指令共需幾個(gè)機(jī)器周期取決于指令在機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。 3微操作控制信號(hào)和微程序設(shè)計(jì) 微操作控制信號(hào)及其實(shí)現(xiàn)方法 設(shè)計(jì)微指令格式，微指令由32位組成，設(shè)計(jì)出每位微操作的定義。 確定微程序控制方式,設(shè)計(jì)任務(wù)包括設(shè)計(jì)各微程序入口地址的形成方法和控存的順序控制(即下地址形成)方法。 編寫各指令的微程序，根據(jù)指令流程和微指令格式仔細(xì)地逐條填寫微指令各碼位。4設(shè)計(jì)接線表要仔細(xì)設(shè)計(jì)接線表，

4、因?yàn)樗墙M裝計(jì)算機(jī)的依據(jù)。 為了避免遺漏，應(yīng)按模塊逐個(gè)歸納整理，明確各模塊中器件各控制信號(hào)的處理方法。 對(duì)于模塊中不用的器件，也應(yīng)有所處理。四、設(shè)計(jì)過(guò)程： 1、整機(jī)邏輯框圖圖4-1給出了最簡(jiǎn)單的8位微程序控制計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖。 圖41、8位微程序控制計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)描述：總線：該計(jì)算機(jī)采用單總線，即cpu的內(nèi)部總線和外部總線均為一條總線。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較方便。但它的速度較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)流水線和并行操作。 cpu：它的cpu由alu和寄存器模塊、指令部件模塊及微程序控制模塊組成。寄存器：alu和寄存器模塊包括通用寄存器（含累加器）、alu（包括暫存器）、狀態(tài)寄存器等，它可采用單累加器多寄

5、存器或多累加器結(jié)構(gòu)（見第一章）。alu：alu可完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算功能，如加、減、與、或、取反、取負(fù)、移位等。狀態(tài)寄存器可包括進(jìn)位位、全零標(biāo)志位、負(fù)數(shù)標(biāo)志位、溢出標(biāo)志位等。指令部件：指令部件模塊包括程序計(jì)數(shù)器（pc）及它的控制電路（加1、接數(shù)等）、指令寄存器（它一般包括一至三個(gè)8位寄存器，與最長(zhǎng)的指令相對(duì)應(yīng)）等。微程序控制部件：微程序控制摸塊包括微程序存貯器（現(xiàn)為1kx32）、微程序計(jì)數(shù)器（mpc）及它的控制電路（加1、接數(shù)等）、微指令寄存器、時(shí)序控制電路、微操作信號(hào)發(fā)生電路等。 存貯器：存貯器為外接的ram存貯器（現(xiàn)為32kx8）外設(shè)：包括打印機(jī)輸出設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備。它們均接于總線上，

6、有分別的讀、寫控制信號(hào)。 2、指令系統(tǒng)和指令執(zhí)行流程設(shè)計(jì) 2.1 cpu的基本功能部件下面以單累加器為例，介紹一種簡(jiǎn)單的8位微程序控制計(jì)算機(jī)。該cpu的基本功能部件為： 該計(jì)算機(jī)有一個(gè)累加器（a） 8個(gè)寄存器（r0-r7） pc為16位，尋址范圍為64k* 其中0-7fffh為32k ram存貯器空間* 8000-ffffh為i/o空間* 編址方法： i/o采用與存貯器統(tǒng)一編址的方法，ab15=0為訪問存貯器；ab15為訪問i/o口。 三個(gè)8位指令存貯器，其中一個(gè)為ir，存放指令碼，另二個(gè)分別為adrh和adrl，存放指令中的16位直接地址。 2.2指令系統(tǒng)和匯編代碼首先應(yīng)根據(jù)要求定義指令系統(tǒng)

7、，并確定相應(yīng)的匯編代碼。表4-1指令系統(tǒng)定義編號(hào)匯編碼操作指令碼1mov a, ri(ri) a00000iii2mov ri, a(a) ri00001iii3mov a, ri(7ehri) a00010iii4mov ri, a(a) 7ehri00011iii5mov a, #data8 data8 a00100000 dddddddd6mov ri, #data8data8 ri00101iii dddddddd7add a, ri(a) + (ri) a00110iii8sub a, ri(a) (ri) a00111iii9sub a,addr(a)-(addr) a010000

8、00 addrh addrl10lda addr(addr) a01001000 addrh addrl11sta addr(a) addr01010000 addrh addrl12jc addrif cy=1 then addr pc else (pc)+3 pc01011000 addrh addrl13jmp addraddr pc01100000 addrh addrl14jnkb addrif krix=0 then addr pc else (pc)+3 pc01101000 addrh addrl15jnpb addrif prix=0 then addr pc else (p

9、c)+3 pc01110000 addrh addrl16jnz addeif z=0 then addr pc else (pc)+3 pc01111000 addrh addrl17rsp7fffh sp10000000 18push aa堆棧，sp110001000 19pop asp1，堆棧a10010000 20cmp a，#data8(a)data8,按結(jié)果置c和z10011000 dddddddd 21rrc a（a）右移一位10100000 22cpl ri取反（7eh（ri）存儲(chǔ)單元10101iii23call addr保存pc進(jìn)棧，按addr轉(zhuǎn)到子程序10110000 ad

10、drh addrl24retpc退棧,子程序返回10111000注: 對(duì)寄存器間接尋址指令，如mov ri,a，由于ri為8位，而存儲(chǔ)器地址為16位，故取ri為低8位，高8位固定為7eh。根據(jù)這些指令，我們?cè)O(shè)計(jì)出如下的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的cpu結(jié)構(gòu)框圖（不包含微程序模塊），如圖4-2。 圖42、微程序控制計(jì)算機(jī)cpu框圖關(guān)于圖4-2 cpu結(jié)構(gòu)的說(shuō)明：累加器： a為累加器，ca為它的打入脈沖（后沿有效（下同），ga為它的打入允許端（0為允許接數(shù)（下同），rrc右移允許端，act為暫存寄存器，cc和gc分別為它的打入脈沖和允許端；通用寄存器：r0r7為8個(gè)通用寄存器，rs為選擇端，用于選擇某個(gè)寄存器，w

11、rc和wre分別為寫入脈沖和允許端。暫存器：tmp為暫存器，ct為它的打入脈沖，gt為它的打入允許端，用于暫存某些運(yùn)算指令的第二操作數(shù)。多路開關(guān)muxa用于選擇把tmp還是通用寄存器的內(nèi)容加到alu上。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元：alu為8位的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，fa、fb為兩路輸入，ff為輸出；s2、s1、s0用于選擇 工作方式，如加、減、fa、fb等；cout為加法的進(jìn)位輸出或減法的借位輸出，需要時(shí)cout的值可鎖存于cy寄存器中（cck為寫入脈沖，cp為允許端）。如果需執(zhí)行帶進(jìn)位（或借位）的加法（或減法）時(shí)，alu應(yīng)該還有進(jìn)位輸入。alu輸出ff通過(guò)三態(tài)門（ob為控制端）加至數(shù)據(jù)總線。指令寄存器：i

12、r為指令寄存器，它存放指令的第一字節(jié)（一般包含操作碼和寄存器選擇），cci和gi分別為它的打入脈沖和允許端。直接尋址指令寄存器：adrh和adrl為指令第二、三字節(jié)寄存器，存放直接尋址指令（如lda addr，jmp addr）的16位地址值。ca1、ca2和ga1、ga2分別為它們的打入脈沖和允許端。程序計(jì)數(shù)器：pc為16位的程序計(jì)數(shù)器，它的清0端接reset，使它在復(fù)位時(shí)為0，從0地址開始執(zhí)行程序。pck為脈沖端，pinc為加1控制端，pld為并行接數(shù)控制端，它的輸入端來(lái)自多路開關(guān)，可選擇為“1”、cy、“0”等。其中“1”對(duì)應(yīng)于jmp指令，cy對(duì)應(yīng)于jc指令，其他情況接“0”（不轉(zhuǎn)移）。

13、pc的輸出和adr（由adrh、adrl組成）的輸出通過(guò)多路開關(guān)加至地址總線ab。堆棧指針：sp為16位的堆棧指針，它的初態(tài)為7fffh。在把一個(gè)字節(jié)壓入堆棧后，應(yīng)把sp減一，指向下一個(gè)單元。在從堆棧彈出一個(gè)字節(jié)前，應(yīng)把sp加一。3、微操作控制信號(hào)和微程序設(shè)計(jì) 3.1微程序順序控制方法微程序計(jì)數(shù)增量方法： 微程序段的大小：它的微程序首地址根據(jù)指令操作碼編碼來(lái)形成。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，由于每條指令對(duì)應(yīng)的節(jié)拍數(shù)即微指令條數(shù)小于等于5，則我們可把微程序計(jì)數(shù)器打入地址的低3位置為“111”，其他幾位接指令操作碼。采用此方法時(shí)，各條指令的微程序段的大小取決于指令的微程序入口的間距。在把微程序計(jì)數(shù)器打入

14、地址的低3位置“111”，其他位接指令操作碼時(shí)，每條指令的微程序長(zhǎng)度不能大于8。 根據(jù)指令條數(shù)確定操作碼位數(shù)。由于本計(jì)算機(jī)有24條指令，只需五位操作碼，多余的首地址位（高位部分）可接為0。 在第一次啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)把mpc清0，從而從微程序存儲(chǔ)器的0號(hào)單元開始執(zhí)行微指令（第一條微指令應(yīng)為取指令微指令。）。 在取出指令后，按指令操作碼轉(zhuǎn)移至相應(yīng)指令的微程序入口執(zhí)行（該入口處應(yīng)為該指令的第二拍操作（第一拍為取指令）。例，指令操作碼為00000，則微程序入口地址為0000000111。以后微程序計(jì)數(shù)器加1，執(zhí)行下一拍指令操作。 每條指令的微程序的最后一條微指令應(yīng)為取指令微指令。按照該方法可得出本實(shí)驗(yàn)計(jì)

15、算機(jī)的微程序控制模塊的框圖（見圖4-3），圖中： mpc 為微程序計(jì)數(shù)器 mclr為它的清0端，用于復(fù)位時(shí)清0 mpc mpck為它的時(shí)鐘 mpld為打入信號(hào)，用于取指令后按指令操作碼散轉(zhuǎn)，mpc的輸入為它的打入地址。對(duì)最多32條指令，每條指令最多8拍的情況，低3位接“1”，其他5位接指令操作碼，高2位接0。（對(duì)最多16條指令，每條指令最多4拍的情況，低2位接“1”，其他4位接指令操作碼，高4位接0。） mpc輸出加至微程序存儲(chǔ)器，作為微指令地址。 mir為微指令寄存器，它的輸入來(lái)自微程序存儲(chǔ)器。 微程序存儲(chǔ)器位于實(shí)驗(yàn)芯片外，輸出為32位微指令碼，mick為它的時(shí)鐘。它根據(jù)mpc輸出的微指令地

16、址返回相應(yīng)的32位微指令碼到co310 mir 3.2 定義微操作控制本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，微操作信號(hào)比較少，因此可以采用全水平的微指令編碼方式。這時(shí)，每位微指令碼可控制一個(gè)微操作，如果微操作多于32個(gè)，則可采用分段編碼方式。所有的微操作都由微程序來(lái)控制，微操作信號(hào)用來(lái)控制各功能部件的工作方式和工作狀態(tài)，以及進(jìn)行各功能部件之間的信號(hào)傳遞。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)如只有前述十八條指令，則按圖4-2和圖4-3，可得出以下微操作信號(hào)表。表4-3微操作信號(hào)表部件信號(hào)功能有效位累加器agarrca功能ga累加器a接數(shù)允許禁止（無(wú)操作）移位010暫存器tmpgttmp接數(shù)允許0暫存器actgc暫存器接數(shù)允許0寄存

17、器riwre寄存器寫入允許0muxa (fb的多路選擇)maalu的第二個(gè)操作數(shù)多路開關(guān)選擇0: 寄存器內(nèi)容送alu1: 暫存器tmp送alu算術(shù)邏輯運(yùn)算單元alus2,s1,s0alu功能s2 s1 s0f = a + bf = a - bf = af = bf = b備用備用備用0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1cyme進(jìn)位位cy接數(shù)coutcy接數(shù)移位輸入01cpcy接數(shù)允許0指令寄存器irgi指令寄存器ir接數(shù)允許0地址寄存器adrga1高位地址寄存器adrh接數(shù)允許0ga2低位地址寄存器adrl接數(shù)允許0muxc (地址ab多路開關(guān)選擇)

18、mc1,0muxc功能mc1 mc0pc送至地址總線abadr送至地址總線absp送至地址總線ab 備用 0 0 0 1 1 0 1 1程序計(jì)數(shù)器pcpincpc加1信號(hào)0prstpc清零信號(hào)0muxd (控制pc接數(shù)的多路選擇)pld2,1,0pc接數(shù)控制pld2 pld1 pld0禁止cy=1轉(zhuǎn)移zy0kb=0pb=0必轉(zhuǎn)備用0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1其余微程序計(jì)數(shù)器mpcmpldmpc接數(shù)允許0存儲(chǔ)器mcrdx讀存儲(chǔ)器0cwrx寫存儲(chǔ)器0堆棧spsspsp減一信號(hào)01sp增一信號(hào)10sp初始化為7fffh11muxb (數(shù)據(jù)總線db多路開關(guān)選擇

19、)mb1,0muxb功能mxdb1 mxdb2alu結(jié)果送至數(shù)據(jù)總線dbpch送至數(shù)據(jù)總線dbpcl送至數(shù)據(jù)總線db三態(tài) 0 0 0 1 1 0 1 13.3 定義微指令編碼功能所有的微操作都由微程序來(lái)控制，由于本cpu的微指令寬度為32位。微操作數(shù)少于32個(gè)，所以可采用直接控制方式，即上述每一個(gè)微操作信號(hào)都由微指令相應(yīng)的某一位來(lái)控制。如下表所示：表4-4 微指令控制微操作對(duì)應(yīng)表微指令的控制位微操作有效狀態(tài)微操作功能描述0wre01ga02rrc03gc04gt05gi06ga107ahs08ga209ob010mb0x11mb1x12zp013cp014me015s0x16s1 x17s2x

20、18ma019pld0x20pld1x21pld2x22pinc023ssp0 x24ssp1x25mc0x26mc1x27mpld028crdx029cwrx03031對(duì)應(yīng)的vhdl硬件描述如下：五、程序與調(diào)試：1、8位cpu的vhdl描述begin dbl = db(7 downto 0); db(15 downto 8) = bz when crd = 0 else 00000000; process (mclk,clkg) begin if (run=0)or (reset = 0) then mclk = 0; elsif (clkgevent and clkg=0) then mc

21、lk = not mclk; end if; end process; mpck = not mclk and clk; mick = not mpck; cck = not mclk; cc = not mclk; ca = not mclk; cir = not mclk; ca1 = not mclk; ca2 = not mclk; wrc = not mclk; pck = not mclk; process (pc,pck) begin if (reset =0) then pc = 0000000000000000; elsif (pckevent and pck=1) then

22、 if (pld = 1)then pc = ab; elsif (pinc = 1) then pc = pc +1; end if; end if; end process; process (ir,cir) begin if (cirevent and cir = 1) then if (gi = 0) then ir = dbl; end if; end if; end process; process (r0,wrc) begin if (wrcevent and wrc = 1) then if (wre = 0) then if (ra = 0) and (rb = 0) and

23、 (rc = 0) then r0 = dbl; end if; end if; end if; end process; process (r1,wrc) begin if (wrcevent and wrc = 1) then if (wre = 0) then if (ra = 1) and (rb = 0) and (rc = 0) then r1 = dbl; end if; end if; end if; end process; process (r2,wrc) begin if (wrcevent and wrc = 1) then if (wre = 0) then if (

24、ra = 0) and (rb = 1) and (rc = 0) then r2 = dbl; end if; end if; end if; end process; process (r3,wrc) begin if (wrcevent and wrc = 1) then if (wre = 0) then if (ra = 1) and (rb = 1) and (rc = 0) then r3 = dbl; end if; end if; end if; end process; process (r4,wrc) begin if (wrcevent and wrc = 1) then if (wre = 0) then if (ra = 0) and (rb = 0) and (rc = 1) then r4 = dbl; end if; end if; end if; end process;2、匯編指令集-m