東北大學(xué)秦皇島分校組成課設(shè)報(bào)告

1、東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)專業(yè)名稱計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班級學(xué)號2153127學(xué)生姓名黎楠指導(dǎo)教師張冬麗設(shè)計(jì)時(shí)間2017.12.182017.12.29課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)：計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 學(xué)號：2153127 學(xué)生姓名（簽名）： 設(shè)計(jì)題目：指令系統(tǒng)及微地址修改電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件 1207實(shí)驗(yàn)室 硬件：PC機(jī) 軟件：Xilinx ISE ModelSim 編程語言：VHDL二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 設(shè)計(jì)5號指令、21號指令、32號指令、56號指令；2. 斷點(diǎn)方式下的微地址修改邏輯電路，實(shí)現(xiàn)“取指后，獲取6、21、32、56號指令的微程序入口地址”；3. 8

2、位求補(bǔ)器。三、設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）【題目：指令系統(tǒng)及微地址修改電路設(shè)計(jì)】1. 5號，21號，32號，56號指令設(shè)計(jì)； 2. 斷點(diǎn)方式下的微地址修改邏輯電路，實(shí)現(xiàn)“取指后，獲取6、21、32、56號指令的微程序入口地址”；3. 8位求補(bǔ)器。2. 前言（緒論）(設(shè)計(jì)的目的、意義等)融會貫通計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容，通過知識的綜合運(yùn)用，加深對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識；學(xué)習(xí)運(yùn)用VHDL進(jìn)行FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的基本步驟和方法，熟悉EDA的設(shè)計(jì)、模擬調(diào)試工具的使用，體會FPGA/CPLD技術(shù)相對于傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)；培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力，取得工

3、程設(shè)計(jì)與組裝調(diào)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。3. 設(shè)計(jì)主體（各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、分析、結(jié)論等）【模型機(jī)邏輯框圖】圖1 整機(jī)邏輯框圖圖2 芯片引腳邏輯框圖圖3 CPU邏輯框圖【微操作控制信號】1、XRD ：外部設(shè)備讀信號，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。2、EMWR：程序存儲器EM寫信號。3、EMRD：程序存儲器EM讀信號。4、PCOE：將程序計(jì)數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上(MAR)。5、EMEN：將程序存儲器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，由EMWR和EMRD 決是將DBUS數(shù)據(jù)寫到EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)送到DBUS。6、IREN：將程序存儲器EM讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR。7、EIN

4、T：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請求標(biāo)志，便于下次中斷。8、ELP：PC打入允許，與指令寄存器IR3、IR2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。9、FSTC：進(jìn)位置1，CY=110、FCLC：進(jìn)位置0，CY=011、MAREN：將地址總線ABUS上的地址打入地址寄存器MAR。12、MAROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。13、OUTEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器OUT里。14、STEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器ST中。15、RRD：讀寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。16、RWR：寫寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位

5、決定。17、CN：決定運(yùn)算器是否帶進(jìn)位移位，CN=1帶進(jìn)位，CN=0不帶進(jìn)位。18、FEN：將標(biāo)志位存入ALU內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。19、WEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入工作寄存器W中。20、AEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入累加器A中。21-23: X2 X0 ： X2、X1、X0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的寄存器。 24-26: S2 S0 ： S2、S1、S0三位組合決定ALU做何種運(yùn)算。3.1. 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第5號指令： 助記符：ADD A， R? 格式：操作碼和地址碼 操作碼：ADD 地址碼：A，R 功能：累加器A“與”寄存器R?的值 尋址方式：寄存器直接尋址第21號指令

6、： 助記符：AND A，R? 格式：操作碼和地址碼 操作碼：AND 地址碼：A，R 功能：累加器A“與”寄存器R?的值 尋址方式：寄存器直接尋址第32號指令： 助記符：MOV A，#II 格式：操作碼和地址碼 操作碼：MOV 地址碼：A，#II 功能：將立即數(shù)II送到累加器A中 尋址方式：立即數(shù)尋址第56號指令： 助記符：RLC A 格式：操作碼和地址碼 操作碼：RLC 地址碼：A 功能：累加器A帶進(jìn)位左移 尋址方式：累加器尋址【指令格式】第5號指令： ADD A，R? 指令類型：算術(shù)運(yùn)算指令 指令格式：000100XX 操作碼 尋址類型 第21號指令： AND A，R? 指令類型：邏輯運(yùn)算指

7、令 指令格式：010100XX 操作碼 尋址類型 第32號指令： MOV A，#II 指令類型：數(shù)據(jù)傳送指令 指令格式：011111 XX操作碼如：000110008位立即數(shù)第56號指令： RLC A 指令類型：移位指令 指令格式：110111XX【指令執(zhí)行流程】表1 各指令執(zhí)行流程圖編號助記符功能機(jī)器碼周期總數(shù)節(jié)拍數(shù)微操作控制信號涉及硬件1FATCH取指令000000010T2PC->MARPCOE,MARENPC, MAR , EM, W , IRT1EM->WEMEN,EMRD,WENT0W->IRPC+1->PCIREN5ADD A,R?將寄存器R?的值加入累加

8、器A中000100100T4R->WRRDX2X0WENR, DBUS, W,ALU, FT3ALU(A+W)->AS2S1S0=011AEN FEN21AND A,R?累加器A“與”寄存器R?的值010100100T4R->WRRDX2X0WENR, DBUS, W, ALUT3ALU(A&W)->AS2S1S0=011AEN FEN32MOV A,#II將立即數(shù)II送到累加器A中011111101T5PC->MARPCOE,MARENPC, MAR EM, W, A,ALUT4EM->DBUS->WEMENEMRDWENT3W->DB

9、US->AAEN56RLC A累加器A帶進(jìn)位左移110111100T4A->ALU->LX=110FENCN=1R, DBUS, W, A,FCNT3L->DBUS->AAEN【流程圖】圖4 第5號指令流程圖圖5 第21號指令流程圖圖6 第32號指令流程圖圖7 第56號指令流程圖3.2. 模型機(jī)硬件設(shè)計(jì)：題目：斷點(diǎn)方式下的微地址修改邏輯電路，實(shí)現(xiàn)“取指后，獲取6、21、32、56號指令的微程序入口地址”【邏輯電路的圖形符號表示、功能】表2 各指令微程序入口地址編號指令助記符標(biāo)志位P1P0微程序入口地址1FATCH0016ADD A, R?0010121AND A,

10、R?0101032MOV A,#II1001156RLC A11100【微程序入口地址】圖8 微程序入口地址【源代碼】library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity ln_zlxt isPort ( addr1 : in STD_LOGIC_VECTOR( 2 DOWNTO 0); P1P0 : in STD_LOGIC_VECTOR( 1 DOWNTO 0); addr2 : out STD_LOGIC_VECTOR( 2 DOWNTO 0);end ln_zlxt;archite

11、cture Behavioral of ln_zlxt isbeginPROCESS(addr1,P1P0) BEGIN IF P1P0( 1 DOWNTO 0) ="00" THEN addr2( 2 DOWNTO 0) <= addr1( 2 DOWNTO 0) + '1' ; ELSE addr2( 2 DOWNTO 0) <= addr1( 2 DOWNTO 0) + P1P0( 1 DOWNTO 0) ; END IF; END PROCESS;end Behavioral;【結(jié)果】圖9 微程序入口地址【RTL級邏輯電路】圖10 RTL

12、級邏輯電路【仿真】l 在sources窗口處右擊，加入新的源文件l 創(chuàng)建波形仿真激勵(lì)文件.tbw：選Test Bench Waveform，并輸入文件名YUMIAOl 初始化時(shí)鐘周期及相關(guān)參數(shù)finishl 右側(cè)會出現(xiàn) .tbw文件窗口，設(shè)置輸入引腳的值，存盤l 左側(cè)sources窗口選擇“behavioral simulation”,下面processes窗口會自動出現(xiàn)"Modelsim Simulator"l 雙擊其中的“Simulate behavioral model”會自動調(diào)用“Modelsim ”進(jìn)行仿真，觀察波形窗口，觀察是否正確第一組測試：輸入: code_

13、in=110，10圖11 輸入波形輸出： code_out=000圖12 輸出波形第二組測試：輸入: code_in=101,10圖13 輸入波形輸出： code_out=111圖14 輸出波形3.3. 數(shù)字電路：題目：8位求補(bǔ)器功能：對輸入的8位二進(jìn)制進(jìn)行求補(bǔ)計(jì)算【功能描述】輸入code_in是8位二進(jìn)制原碼，輸出code_out是8位二進(jìn)制補(bǔ)碼?！驹创a】library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity ln_szdl isPort ( code_in : in STD_LOGIC

14、_VECTOR (7 DOWNTO 0) ; code_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0) );end ln_szdl;architecture Behavioral of ln_szdl isbeginProcess(code_in) BEGIN code_out(7) <= code_in(7); if code_in(7)='0' THEN code_out(6 DOWNTO 0) <= code_in(6 DOWNTO 0); ELSE code_out(6 DOWNTO 0) <= NOT code_in(

15、6 DOWNTO 0) + '1' END IF; END PROCESS;end Behavioral; 【結(jié)果】圖15 八位求補(bǔ)器【RTL級邏輯電路】圖16 RTL級邏輯電路【仿真】l 在sources窗口處右擊，加入新的源文件l 創(chuàng)建波形仿真激勵(lì)文件.tbw：選Test Bench Waveform，并輸入文件名YUMIAOl 初始化時(shí)鐘周期及相關(guān)參數(shù)finishl 右側(cè)會出現(xiàn) .tbw文件窗口，設(shè)置輸入引腳的值，存盤l 左側(cè)sources窗口選擇“behavioral simulation”,下面processes窗口會自動出現(xiàn)"Modelsim Simula

16、tor"l 雙擊其中的“Simulate behavioral model”會自動調(diào)用“Modelsim ”進(jìn)行仿真，觀察波形窗口，觀察是否正確第一組測試：輸入: code_in=10110010圖17 輸入波形輸出： code_out=11001110圖18 輸出波形第二組測試：輸入: code_in=00111010圖19 輸入波形輸出： code_out=00111010圖20 輸出波形3. 結(jié)束語（設(shè)計(jì)的收獲、體會等）在課程設(shè)計(jì)中，我嘗試在自己的電腦上安裝了相應(yīng)程序，由于程序的版本與window版本不兼容，出現(xiàn)了部分功能不能實(shí)現(xiàn)的情況，尤其是不能出現(xiàn)仿真波形。使用了機(jī)房電腦后問題解決。通過這次課設(shè)，我對上課所學(xué)的知識有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對計(jì)算機(jī)硬件也有了更清晰的了解，尤其是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)之前對于XILINX ISE和Modelsim SE這兩個(gè)軟件一點(diǎn)也不了解，所以對軟件的研究也耗費(fèi)了很多精力。雖然中間出現(xiàn)了很多問題，通過向其他同學(xué)請教和查找資料，最終都得到很好地解決。 短短的幾天，我學(xué)到了很多。尤其是鍛煉了自己動手操作的能力，提高了自己查閱更多有用資料的效率。通過這次課程設(shè)計(jì)，我