组成原理--(课程设计)一台模型计算机的设计与调试

计算机组成原理课程设计

一、课程设计题目：一台模型计算机的设计与调试

二、课程设计的目的：

1、融会贯通教材各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块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，培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计和调试的实践和经验。

三、课程设计要求：

1、根据给定的数据格式和指令系统，设计一台微程序控制的模型计算机。

2、根据设计图，在QUARTUS II环境下仿真调试成功。

3、在调试成功的基础上，整理出设计图纸和相关文件，包括：

A、总框图（数据通路图）；

B、微程序控制器逻辑图；

C、微程序流程图；

D、微程序代码表；

E、设计说明书；

F、工作小结。

四、课程设计报告内容：

1、系统主要功能

A、数据格式

数据字规定采用定点整数补码表示法，字长8位，其中最高位为符号位，其格式如下：

B、指令格式

本实验设计使用5条机器指令，其格式与功能说明如下：

IN

ADD

STA

OUT

JMP

IN指令为单字长（字长为8bits）指令，其功能是将数据开关的8位数据输入到R

寄存器。

ADD指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功

能是将R

0寄存器的内容与内存中地址为A的数相加，结果存放在R

寄存器中。

STA指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将R

寄存器中的内容存储到以第二个字为地址的内存单元中。

OUT指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线，显示之。

JMP指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址。

2、总体设计

总体设计的主要任务是选定所用器件，设计指令流和数据流的数据通路，根据指令系统的要求，总体设计的主要步骤如下：

A、对指令系统中的各条指令进行分析，得出所需要的占领周期与操作序列，以

便确定各器件的类型和数量；

B、构成一个总框图草图，进行各逻辑部件之间的互相连接，即初步确定数据通

路，使得由指令系统所要求的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求；

C、检查全部指令周期的操作序列，确定所需要的控制点和控制信号；

D、检查所设计的数据通路，尽可能降低成本，简化线路，优化性能。

以上过程可以反复进行，以便得到一个较好的方案。

下图给出了一个没有考虑乘法和除法指令操作的总框图参考方案，在此方案确定后，应检查所选用的各个器件是否满足数据通路的要求。数据通路的设计和器件的选择应同时进行，接入总线的器件都要有三态输出，以便与总线连接。图中所示的方案采用单总线结构，使用的许多器件都是三态输出，这种方案便于总线的连接和扩展，但缺点是指令和数据的传送都要经过总线，因此对总线的使用权就要分配得当。

总框图（数据通路图）

3、微程序控制器

微程序控制器基本原理图：

数据通路图一旦确定，指令流与数据流的通路也就确定了，因而运算器和

控制器的大部分结构也就确定下来了。图1中各功能器件上标住的控制点及控制信号，就是微程序控制器设计的依据。 A 、 微指令格式

微指令格式建议采用水平型微指令格式，微命令编码采用直接表示法和字段直接译码法相结合的混合表示法，以缩短微指令长度，后继微地址采用断定方式。微指令格式如下：

s 3 s

2

s

1

s

0 m c

n

l

o

a

d

c

e w

e

L

D

R

L

D

D

R

1

L

D

D

R

2

L

D

I

R

L

D

P

C

L

D

A

R

n

A

L

U

-

B

U

S

7 6

P(

1) u

A

4

u

A

3

u

A

2

u

A

1

u

A

↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑

B、微程序控制器

微指令长度为24位，据此可以确定控制存储器的字长也应为24位。微指令格式确定后，微程序的横向设计在于正确选择数据通路，纵向设计在于确定后继微指令地址。纵向设计的通常做法是先确定微程序分支处的微地址，因为微程序分支处需要进行判别测试，这些微地址确定后，就可以在“微地址表”中把相应的微地址单元填进去，以免后面的设计中重复使用，以致造成设计错误。

当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段应指明P(1)测试。“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，P(1)测试的结果导致微程序出现多路分支。在本模型机中，只拟设计5条机器指令，故用指令寄存器的前3位（IR7-IR5）作为测试条件，微程序可以实现8路转移，但我们只用到前5路。分支后的微地址分别定为01001B-01101B。

C、微程序流程图：

微程序流程图

A、微程序控制器设计图：

封装后的微程序控制器：

B、时序产生器的设计图：

封装后的时序产生器：

C、数据通路设计图：

5、系统测试：

6、存在问题及解决问题注意事项

首先对机器指令及微指令的的编码方法不了解，对计算机的组成和工作原理也不是很理解通过老师的讲解和大家对实验指导书上研究学习再结合课本相互探讨，逐渐理解了计算机的组成和工作原理，基本掌握的机器指令和微指令编码方法。其次在连接数据通路的图时连好后编译出现了很多错误，经过小组共同努力终于成功编译好了。

7、设计总结及体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，将结论用于实践，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

通过本次的课程设计我深深的感觉到充分利用网络资源的重要性和相互团结合作精神的重要性。在此对于较复杂的系统，我了解到常采用的方法就是将其分成各个模块来实现，这样可以很大程度上简化整个系统的设计以及实现上的难度，充分发挥了化繁为简的作用。同时进一步让我熟悉了Quartus II的环境，可以察觉充分发挥了设计上的优势，简单易用，便于整合，方便修改。

8、参考文献

[1] 王世敏. 纳米材料制备技术[M]. 北京：化学工业出版社，2002:22-2

[2] 徐瑛，杨增新，李志华等. 二氧化钛复合微粉的抗菌性能研究[J].功能材料，2002，33（6）：682-683.

[3] Hoffman M R , Martin S T , et al. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis [J].Chem Rev, 1995,95(1):69-96.

[4] Heinig Jr. Method of treating water [P]. US:USP5352369,1997-09-27.

[5] 白中英计算机组成原理科学出版社 2002.5 第三版网络版