8位逻辑计算机设计
TEC-XP16实验指导书
计算机组成原理实验指导书王潇编写仲恺农业工程学院计算机科学与工程学院二00八年十月目录第一章TEC-XP16实验计算机系统原理 (1)§1.1TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述 (1)§1.2TEC-XP16机指令系统 (8)§1.3TEC-XP16机运算器部件 (12)§1.4TEC-XP16机内存储器部件 (15)§1.5TEC-XP16机的控制器部件 (18)§1.6TEC-XP16机的输入输出及中断 (22)第二章TEC-XP16实验计算机系统实验内容 (24)实验一基础汇编语言程序设计 (24)实验二脱机运算器实验 (29)实验三存储器部件教学实验 (32)实验四组合逻辑控制器部件教学实验 (37)实验五微程序控制器部件教学实验 (51)实验六输入/输出接口扩展实验 (59)实验七中断实验 (63)实验八8位模型机的设计与实现(综合实验) (71)附录 (74)附录1 联机通讯指南 (74)附录2TEC-XP16计算机组成原理实验系统简明操作卡 (77)附录3微程序入口地址映射表 (78)附录4指令流程框图 (80)附录5指令流程表 (82)附录6书写实验报告的一般格式 (86)参考文献 (87)第一章TEC-XP16实验计算机系统原理§1.1 TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述一、教学计算机系统的实现方案和硬软件资源概述TEC-XP是由清华大学计算机系和清华大学科教仪器厂联合研制的适用于计算机组成原理课程的实验系统，主要用于计算机组成原理和数字电路等的硬件教学实验，同时还支持监控程序、汇编语言程序设计、BASIC高级语言程序设计等软件方面的教学实验。
它的功能设计和实现技术，都紧紧地围绕着对课程教学内容的覆盖程度和所能完成的教学实验项目的质量与水平来进行安排。
其突出特点是硬、软件基本配置比较完整，能覆盖相关课程主要教学内容，支持的教学实验项目多且水平高。
计算机组成原理第二版课后答案
1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统——计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
计算机硬件——计算机的物理实体。
计算机软件——计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯氏计算机的特点是：P9• 由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；• 指令和数据以同一形式（二进制形式）存于存储器中；• 指令由操作码、地址码两大部分组成；• 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；• 以运算器为中心（原始冯氏机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P10主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；（早期的运、控不在同一芯片上）主存——计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元——可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位；存储元件——存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取；存储字——一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位；存储字长——一个存储单元所存二进制代码的位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）机器字长——CPU能同时处理的数据位数；指令字长——一条指令的二进制代码位数；讲评：一种不确切的答法：CPU与MM合称主机；运算器与控制器合称CPU。
这两个概念应从结构角度解释较确切。
8. 解释下列英文缩写的中文含义：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答应分英文全称、中文名、中文解释三部分。
复杂模型机实验实验报告（共9篇）
复杂模型机实验实验报告(共9篇)_复杂模型机实验报告计算机组成原理实验报告实验题目：一台模型计算机的总体设计之复杂模型机设计实验目的：(1)在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统，构造一台复杂模型计算机，建立一台基本完整的整机。
(2)为其定义至少五条机器指令，并编写相应的微程序，通过联机调试，观察计算机执行指令：从取指令、指令译码、执行指令等过程中数据通路内数据的流动情况，进一步掌握整机概念。
实验设备TDN-CM+教学实验系统一套、微型计算机一台、排线若干。
实验原理：(1)数据格式及指令系统：①数据格式模型机规定数据采用定点整数补码表示，字长为8位，其格式如下：其中，第7位为符号位，数值表示范围是－27 ≤X≤27－1 ②指令格式模型机设计4大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O 指令、访问及转移指令和停机指令。
A．算术逻辑指令设计九条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：其中，OP－CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目标寄存器，并规定：九条算术逻辑指令的助记符、功能和具体格式见表5.2－1。
B.访问及转移指令：模型机设计两条访问指令，即存数(STA)、取数(LDA)，两条转移指令，即无条件转移(JMP)、结果为零或有进位转移(BZC)，指令格式如下：其中，OP－CODE为操作码，RD为目的寄存器地址(LDA、STA 指令使用)。
D为位移量(正负均可)，M为寻址模式，其定义如下：本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2。
C．I/O指令：输入(IN)和输出(OUT)指令采用单字节指令，其格式如下：其中，addr=01时，选中“INPUT DEVICE”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“OUTPUT DEVICE”中的数码块作为输出设备。
D．停机指令：停机指令格式如下：HALT指令，用于实现停机操作。
③指令系统：本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令七条，移位指令两条，访问内存指令和程序控制指令四条，输入/输出指令两条，其它指令一条。
8位运算器课程设计
8位运算器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解8位运算器的原理与功能，掌握二进制与十进制的转换方法。
2. 学生能运用8位运算器进行基本的算术运算，如加、减、乘、除，并理解运算过程中的溢出与进位现象。
3. 学生了解8位运算器在计算机硬件中的作用，及其在信息技术中的应用。
技能目标：1. 学生能够独立完成8位运算器的模拟操作，解决实际问题。
2. 学生通过8位运算器的操作，提高逻辑思维和问题解决能力。
3. 学生能够运用所学知识，对简单的计算机程序进行初步的分析与设计。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对计算机硬件及编程的兴趣，激发学习信息技术的热情。
2. 学生通过学习8位运算器，认识到科技发展对生活的影响，增强创新意识。
3. 学生在团队协作中培养沟通与合作的意识，提高团队荣誉感。
课程性质：本课程为信息技术学科的教学内容，旨在帮助学生掌握计算机硬件基础知识，提高编程技能。
学生特点：考虑到学生所在年级，已具备一定的逻辑思维和问题解决能力，对信息技术有较高的兴趣。
教学要求：结合学生特点，通过实例教学，使学生在实践中掌握8位运算器的相关知识，提高学生的动手操作能力和团队协作能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 引言：介绍8位运算器的基本概念，引出二进制与十进制的转换，让学生初步了解8位运算器的原理。
- 教材章节：第一章 计算机硬件基础，第1节 计算机硬件概述2. 二进制与十进制的转换方法：- 教材章节：第一章 计算机硬件基础，第2节 数字逻辑基础3. 8位运算器的算术运算：- 加法、减法、乘法、除法的运算规则及运算过程- 溢出与进位现象的分析- 教材章节：第一章 计算机硬件基础，第3节 算术逻辑单元4. 8位运算器在实际应用中的案例分析：- 简单计算机程序的初步分析与设计- 教材章节：第二章 计算机指令与编程，第1节 计算机指令概述5. 8位运算器在计算机硬件中的作用：- 介绍CPU中的算术逻辑单元（ALU）- 教材章节：第一章 计算机硬件基础，第4节 中央处理器6. 实践操作：- 使用模拟软件进行8位运算器的操作- 解决实际问题，提高逻辑思维和问题解决能力- 教材章节：第三章 计算机操作实践，第1节 计算机操作基础教学进度安排：本章节内容共需6个课时，其中理论教学4课时，实践操作2课时。
8位减法器设计课程设计
8位减法器设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解8位减法器的基本原理和组成结构，掌握其工作流程。
2. 学生掌握二进制数的减法运算规则，能够正确进行8位二进制数的减法运算。
3. 学生了解并掌握逻辑门电路在8位减法器中的应用，如与门、非门、异或门等。
技能目标：1. 学生能够设计并搭建简单的8位减法器电路，运用逻辑门实现减法运算。
2. 学生能够分析8位减法器的性能，对其进行简单的优化和改进。
3. 学生掌握使用相关软件工具（如Multisim、Proteus等）进行8位减法器电路仿真和调试。
情感态度价值观目标：1. 培养学生动手实践、解决问题的能力，增强对电子技术和计算机硬件的兴趣。
2. 培养学生团队协作意识，学会与他人共同分析问题、探讨解决方案。
3. 培养学生严谨的科学态度，养成良好的学习习惯，注重学习过程中的思考与总结。
本课程针对高中年级学生，课程性质为电子技术实践课程。
在教学过程中，充分考虑学生的知识水平和实际操作能力，注重理论联系实际，引导学生通过实践探索，掌握8位减法器的设计与应用。
课程目标明确具体，可衡量，有助于指导后续的教学设计和评估工作。
二、教学内容1. 二进制减法运算原理：讲解二进制减法的运算规则，以及与十进制的区别和联系。
- 教材章节：第三章第二节《二进制加减法运算》2. 8位减法器的组成结构：介绍8位减法器的基本组成，包括全加器、与门、非门、异或门等。
- 教材章节：第四章第三节《组合逻辑电路设计》3. 逻辑门电路原理：阐述逻辑门电路的工作原理，及其在8位减法器中的应用。
- 教材章节：第三章第四节《逻辑门电路》4. 8位减法器设计方法：讲解如何设计8位减法器电路，包括全加器的级联方式、时序控制等。
- 教材章节：第四章第五节《算术逻辑单元设计》5. 8位减法器电路仿真与调试：指导学生使用Multisim、Proteus等软件进行电路仿真和调试。
- 教材章节：第五章第三节《电子电路仿真与调试》教学内容安排与进度：第一课时：二进制减法运算原理，逻辑门电路原理。
【精品】8位移位寄存器的电路设计与版图实现要点
8位移位寄存器的电路设计与版图实现要点8位移位寄存器的电路设计与版图实现摘要电子设计自动化，缩写为EDA，主要是以计算机为主要工具，而Tanner EDA则是一种在计算机windows平台上完成集成电路设计的一种软件，基本包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit与LVS等子软件，其S-Edit以及L-Edit为常用软件，前者主要实现电路设计，后者主要针对的是已知电路的版图绘制，而T-Spice主要可实现电路图及版图的仿真，可以用Tanner EDA实现电路的设计布局以及版图实现等一系列完整过程。
本文用Tanner EDA工具主要设计的是8位移位寄存器，移位寄存器主要是用来实现数据的并行和串行之间的转换以及对数据进行运算或专业处理的工具，主要结构构成是触发器，触发器是具有储存功能的，可以用来储存多进制代码，一般N位寄存器就是由N个触发器构成，移位寄存器工作原理主要是数据在其脉冲的作用下实现左移或者右移的效果，输入输出的方式表现为串行及并行自由组合，本设计就是在Tanner EDA 的软件平台上进行对8位移位寄存器的电路设计仿真，再根据电路图在专门的L-Edit平台上完成此电路的版图实现，直至完成的结果和预期结果保持一致。
关键词：Tanner EDA；L-Edit；移位寄存器，S-Edit8 bits shift register circuit design and layoutAbstractElectronic design automation,referred to as EDA,it is based on computers as the main tool,and Tanner EDA is a kind of software that complete the integrated circuit design on Windows platforms.Its Sub-Softwares include S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit and LVS and so on.S-Edit and L-Edit are commonly used software,S-Edit is primarily designed to achieve circuit,the latter is aimed primarily known circuit layout drawing,T-Spice can achieve schematic and layout simulation.We can achieve layout of the circuit design and a series of complete process layout used Tanner EDA tools.In this paper, Tanner EDA tools are mainly designed an 8-bit shift register.The shift register is mainly used for data conversion between parallel and serial, and the data processing tool operation or professional,its main structure is the trigger composition,flip-flop is a storage function,it can be used to store more hexadecimal code,In general N-bits register is composed of N trigger.Working principle of the shift register data under the action of the pulse, mainly the effect of the shift to the left or right,input and output of the way of serial and parallel free combination.This design is in Tanner on the EDA software platform to 8 bits shift register circuit design and simulation,then according to the circuit diagram on special L - Edit platform to complete the circuit layout implementation,until the finish is consistent with the results and expected results.Keywords：Tanner EDA；L-Edit；Shift register，S-Edit目录目录 (III)1 前言 (1)1.1 课题的背景和目的 (1)1.2课题的设计内容 (1)2 设计软件简介 (2)2.1EDA技术的介绍 (2)EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。
TEC 8实验指导书
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前 言……………………………………………………………………………………..1 第 1 章 TEC-8 计算机硬件综合实验系统…………………………………………….…..5 1.1 TEC-8 实验系统的用途…………………………………………………………….…5 1.2 TEC-8 实验系统技术特点…………………………………………………….………5 1.3 TEC-8 实验系统组成………………………………………………………….………6 1.4 逻辑测试笔……………………………………………………………………………6 1.5 TEC-8 实验系统结构和操作……………………………………………….…………7 1.5.1 模型计算机时序信号………………………………………………………………7 1.5.2 模型计算机组成……………………………………………………………………7 1.6 模型计算机指令系统………………………………………………………………… 10 1.7 开关、按钮、指示灯……………………………………………………..…………11 1.8 数字逻辑和数字系统实验部分…………………………………..…………………12 1.8.1 基本实验通用区…………………………………………………………………...12 1.8.2 大型综合设计实验装臵………………………………………………………..….13 1.9 E2PROM 中微代码的修改………………………………………………….……….…13 第 2 章 计算机组织与体系结构基本实验………………………………………………18 2.1 运算器组成实验……………………………………………………………………..18 2.2 双端口存储器实验…………………………………………………………………..22 2.3 数据通路实验………………………………………………………………………..26 2.4 微程序控制器实验…………………………………………………………………..30 2.5 CPU 组成与机器指令的执行…………………………………………………………36 2.6 中断原理实验………………………………………………………………………..39 第 3 章 课程综合设计…………………………………………………………………....43 3.1 模型机硬连线控制器设计…………………………………………………………..43 3.2 模型机流水微程序控制器设计……………………………………………………..47 3.3 模型机流水硬连线控制器设计……………………………………………………..50 3.4 含有阵列乘法器的 ALU 设计………………………………………………………..51 第 4 章 数字逻辑与数字系统基本实验…………………………………………………55 4.1 基本逻辑门逻辑实验………………………………………………………………..55 4.2 TTL、HC 和 HCT 器件的电压传输特性实验………………………………………..56 4.3 三态门实验…………………………………………………………………….…….59 4.4 数据选择器和译码器实验……………………………………………………….….61 4.5 全加器构成及测试实验………………………………………………………….….63 4.6 组合逻辑中的冒险现象实验…………………………………………………….….64 4.7 触发器实验……………………………………………………………………….….66 4.8 简单时序电路实验…………………………………………………………………..69 4.9 计数器和数码管实验………………………………………………………………..70 4.10 四相时钟分配器实验………………………………………………………………74 第 5 章 数字逻辑与数字系统综合设计实验…………………………………………...76 5.1 简易电子琴实验……………………………………………………………………..76
八位二进制累加器的设计
输入电压V=5V时，当Cin=1，A=1，B由0->1变化时，用计算器中的delay函数测得此最坏下降延时(对于Sum来说，此时相当于最坏的上升延时)如图所示。由图可知，Sum最坏的上升延时为484.14ps；而Sum_layout最坏的上升延时。所以，版图仿真的最坏上升延时比原理图仿真的最坏延时小79.1ps。
图七Cin=1，A=1，B由0->1时功耗的波形
(2)最坏的下降延时分析
下面利用瞬态分析，测量Cin=0，A=0，B由1->0变化时的延时情况。如下图所示，是该情况下的输入输出波形。
图八Cin=0，A=0，B由1->0时，输入输出波形
用计算器中的delay函数测得此时的最坏上升延时(对于Sum来说，此时相当于最坏的下降延时)如图九所示。由图可知，最坏的下降延时为528.98ps
aபைடு நூலகம்组内并行,组间串行的进位链
b)组内并行,组间并行的进位链
它们的目的就是要进位信号的产生尽可能的快,因此产生了二重进位链或更高重进位链,显然进位速度的提高是以硬件设计的复杂化为代价来实现的。
（3）串行加法进位
串行加法进位从最低位进到最高位，即整个进位是分若干步骤进行的。
优点：具有器件少、成本低、电路结构简单的优点。缺点：运算速度慢。
正电平触发式触发器的状态在CP=1期间翻转，在CP=0期间保持不变。电平触发式触发器的缺点是存在空翻现象，通常只能用于数据锁存。
（2）主从触发器：
主从触发器由分别工作在时钟脉冲CP不同时段的主触发器和从触发器构成，通常只能在CP下降沿时刻状态发生翻转，而在CP其他时刻保持状态不变。它虽然克服了空翻，但对输入信号仍有限制。
数字逻辑课程设计实验报告
sending:发送状态标志，初始为0，开始发送后为1，发送完毕后置0
sendbit:发送位，在固定高电平段为1，在发送有效数据态时为发送位电平
fengming：标志是否成功发送的蜂鸣
clk1000：频率为1000HZ的时钟
b.接收模块流程图:
接受模块的设计基本和发送端基本相同。用计数器1对外接CP进行16分频产生时钟cp2，clear可以实现寄存器清零操作。接收到高电平后计数器2开始计数，大于0110后接收到的字节依次移位存入寄存器中。收到最后一位校验码后对接收到的数据作偶校验后根据校验结果显示“接受错”和蜂鸣。
d.传输的过程中，接收端的校验指示灯熄灭。当接收端接收0个数据后（1位校验码和8位数据位），接收端根据相应的校验方式来判断所接收的数据是否正确。接收端的校验指示灯亮，表示传输的数据正确；校验指示灯熄灭，表示传输的数据不正确。
三．实验环境介绍
1.软件平台介绍
本次实验采用ISP（在系统编程）技术。在系统编程技术（In-System Programmabile）技术是Lattice公司率先提出的一种先进的编程技术，是指对器件、电路板或整个逻辑系统的电子功能课随时进行修改或重构，这种修改或重构可以在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在交付用户之后进行。采用了isp技术之后，硬件设计就可以变得像软件那样灵活而且易于修改。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的调试周期，也给目标设备的现场升级和维护工作带来了极大的方便。
本次实验主要用到可编程的ispLSI1032E芯片。
四．实验设计方案
1．设计方案Biblioteka 明红外线传输系统包括发送方和接受方两端，都可以单独进行初始化清零处理。在发送端可以设置准备发送的8bits的数据信息，连同一个奇偶校验位一起发送。接收端接受到8bits的数据信息和一位奇偶校验信息后，显示收到的数据信息和校验信息，并根据偶校验判定接收到的信息是否出错。实验时若无红外发送接收元件则可以用一根导线连接两端暂时代替。
简单的CPU设计
CPU 设计10 计算机科学与技术姓名：谢xx学号：201040200xx一．非常简单的CPU设计规范：1.确定CPU的用途：该CPU的字长为8位，寻址范围为64个字节，并且要求能实现4条简单的指令。
2.确定ISA：要实现的指令集如下：要实现该CPU的功能，还需要一些寄存器完成取指，译码和执行的步骤：AR（地址寄存器）—6位，由A[7..0]向存贮器提供地址PC (程序计数器) —6位，指出下一条指令的地址DR (数据寄存器) —8位，通过D[7..0]从存贮器接收指令和数据IR (指令寄存器) —2位，存放从存贮器中取回的指令的操作码部分3.为CPU设计状态图：为了确定CPU的状态图，需对每条指令作如下分析：①从存贮器中取指令②指令译码③指令执行二．从存贮器中取指令：⑴原理：根据冯•诺依曼型的原理（指令在存贮器中顺序存放••••••），在CPU能执行指令之前，它必须将这条指令从存贮器中取出，CPU通过执行如下的操作序列完成这个任务：①选择存贮单元由A[5..0]确定②对A[5..0]译码、延迟并向存贮器中发一个信号，使存贮器将此指令输出到它的输出引脚。
这些引脚与CPU的D[7..0]相连接。
CPU从这些引脚读入数据。
⑵具体的操作①要取的指令的地址存放在程序计数器（PC）中。
由于A[5..0]从地址寄存器AR中。
这样，取指令周期的第一个状态就是：FETCH1:AR←PC这一状态的意义是当FETCH为真时，把PC的值送到AR，执行微操作AR←PC，以下同理。
②CPU必须存贮器中读取指令。
为此CPU必须发一个READ信号到存贮器的RD端使存贮器将数据送到D[7..0]上。
同时，CPU读进该数据并放到DR 中，因为DR是用来访问存贮器的唯一寄存器。
同时还实现微操作PC←PC+1,为取下一条指令作准备。
FETCH2:DR←M,PC←PC+1③作为取指令的一部分，CPU还必须完成两件事。
•DR的高2位拷贝到IR，母的是确定指令的功能（即将指令的操作码读入IR）·DR的第六位拷贝到AR。
8bit异或
8bit异或一、引言在计算机科学和电子学中，8位异或（XOR）运算是一个基本且重要的概念，它基于二进制数的位运算。
通过对每一个二进制位进行比较，8位异或运算能够处理和操作数据的最小单位，即字节。
深入理解8位异或运算的特性和应用有助于我们更好地掌握计算机内部数据的处理机制。
二、8bit异或运算的基本概念8位异或运算，也被称为字节异或运算，是一种二进制数的位运算。
在8位异或运算中，我们比较两个8位二进制数（即一个字节）的每一位，如果对应位上的数字相同，则结果为0，否则结果为1。
简单来说，对于两个8位二进制数A和B，其对应位的异或运算可以表示为：A XOR B。
异或运算满足一些基本的逻辑规则，如交换律、结合律和非对称性。
这些规则使得我们在进行逻辑推理和计算时能够更加便捷。
交换律指的是A XOR B 等于B XOR A，结合律则是((A XOR B) XOR C)等于(A XOR (B XOR C))。
此外，由于异或运算的非对称性，A XOR B不等于B XOR A。
三、8bit异或运算的逻辑规则8位异或运算遵循以下逻辑规则：1.交换律：A XOR B = B XOR A。
2.结合律：((A XOR B) XOR C) = (A XOR (B XOR C))。
3.非对称性：A XOR B ≠ B XOR A。
4.冗余性：如果一个变量与自己进行异或运算，结果为0，即 A XOR A = 0。
5.恒等性：0 XOR 任何数 = 该数，1 XOR 任何数 = 该数的反向。
这些规则在逻辑电路设计、位操作、加密算法等领域有着广泛的应用。
理解这些规则有助于我们更好地利用8位异或运算的功能，进行有效的数据处理和计算。
四、8bit异或运算在计算机科学中的应用8位异或运算在计算机科学中具有广泛的应用，以下是几个主要的应用领域：1.位操作：在低级编程语言（如C和汇编语言）中，程序员经常使用异或运算符进行位操作。
例如，可以使用异或运算符来翻转一个数字的某一位。
计算机组成原理实验报告_八位补码加减法器的设计与实现
计算机科学与技术学院计算机组成原理实验报告书实验名称八位补码加/减法器的设计与实现班级学号姓名指导教师日期成绩实验1八位补码加/减法器的设计与实现一、实验目的1.掌握算术逻辑运算单元（ALU）的工作原理。
2.熟悉简单运算器的数据传送通路。
3.掌握8位补码加/减法运算器的设计方法。
4.掌握运算器电路的仿真测试方法二、实验任务1．设计一个8位补码加/减法运算器（1）参考图1，在QUARTUS II里输入原理图，设计一个8位补码加/减法运算器。
（2）创建波形文件，对该8位补码加/减法运算器进行功能仿真测试。
（3）测试通过后，封装成一个芯片。
2．设计8位运算器通路电路参考下图，利用实验任务1设计的8位补码加/减法运算器芯片建立运算器通路。
3．利用仿真波形，测试数据通路的正确性。
设定各控制信号的状态，完成下列操作，要求记录各控制信号的值及时序关系。
（1）在输入数据IN7~IN0上输入数据后，开启输入缓冲三态门，检查总线BUS7~BUS0上的值与IN0~IN7端输入的数据是否一致。
（2）给DR1存入55H，检查数据是否存入，请说明检查方法。
（3）给DR2存入AAH，检查数据是否存入，请说明检查方法。
（4）完成加法运算，求55H+AAH，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。
（5）完成减法运算，分别求55H-AAH和AAH-55H，检查运算结果是否正确，请说明检查方法。
（6）求12H+34H-56H，将结果存入寄存器R0，检查运算结果是否正确，同时检查数据是否存入，请说明检查方法。
三、实验要求（1）做好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性。
（2）实验完毕，写出实验报告，内容如下：①实验目的。
②实验电路图。
③按实验任务3的要求，填写下表，以记录各控制信号的值及时序关系。
表中的序号表示各控制信号之间的时序关系。
要求一个控制任务填一张表，并可用文字对有关内容进行说明。
⑤实验体会与小结。
四、实验预习内容1.实验电路设计原理及思路说明本实验利用基本逻辑门电路设计一位全加器（FA），如表1：表1-一位全加器（FA）电路的输入输出信号说明然后以此基础上实现八位补码加/减法器的设计，考虑到实现所需既可以实现加法又可以实现减法，所以使用了一个M输入来进行方式控制加减。
ASIC实验报告(8位CPU的设计)
ASIC设计实验报告学院：电子工程学院学号：2014*******姓名：***指导老师：***2014年11月13日一、实验目的：通过对ASIC实验课的学习，应当学会以下几点：1.熟悉Linux操作系统的应用环境，基本命令行的应用，以及对vi编辑器熟练应用。
2.熟练掌握Verilog编程语言，包括基本组合逻辑电路的实现方法，基本时序逻辑电路的实现方法，怎样使用预定义的库文件，利用always块实现组合逻辑电路的方法已经着重了解assign与always 两种组合逻辑电路实现方法之间的区别，深入了解阻塞赋值与非阻塞赋值的概念以及应用的差别，有限状态机（FSM）实现复杂时序逻辑的方法，以及学会在Linux 系统环境当中应用Synopsys工具VCS进行仿真。
3.熟悉电路设计当中的层次化、结构化的设计方法。
4.熟悉CPU当中有哪些模块组成，模块之间的关系，以及其基本的工作原理。
5.学会利用汇编语言设计程序，注意代码规范性要求。
二、实验要求：按照实验指导书上的要求即：CPU各个模块的Verilog语言代码的编写、编译及仿真正确，并在规定的时间内完成。
要求对CPU进行语言级系统仿真结果正确之后，利用该实验当中采用的八个汇编关键字，编写一个能够实现某种功能的小程序。
然后对其中的控制器电路进行综合，并检查Timing 和Power,进行门级仿真。
三、实验内容：设计一个8位RISC_CPU 系统。
（RISC: Reduced Instruction Set Computer）,它是一种八十年代才出现的CPU，与一般的CPU相比，不仅只是简化了指令系统，而且通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高了运算速度。
从实现的方法上，它的时序控制信号部件使用了硬布线逻辑，而不是采用微程序控制方式，故产生控制序列的速度要快的多，因为省去了读取微指令的时间。
此CPU所具有的功能有：（1）取指令：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。
基于VHDL语言的8位CPU的设计(quartus仿真)
假设指令地址为0、1、2、3…，为便于显示，设置地址指令和程序计数器输出为数制十进制， 仿真波形如下图：
图2.14 程序计数电路仿真波形
第二部分：RISC-CPU各模块设计与仿真
8. 状态控制器
是CPU的控制核心， 用于产生一系列的控 制信号，启动或停止 某些部件，由状态机 和状态机控制器组成， 如图。
图2.9 数据输出控制器
假设累加器输出值由00000000递增，验证当data_ena为1时，data输出alu_out的值，当 data_ena为0时，data输出"ZZZZZZZZ"。波形如下：
图2.10 数据输出控制器仿真波形
第二部分：RISC-CPU各模块设计与仿真
6. 地址多路器
用于选择输出的地址是PC地址还是数据/ 端口地址，如图2.11所示。每个指令周期的 前4个时钟周期用于从ROM中读取指令，输 出PC地址。后4个时钟周期用于对RAM或 端口的读写，输出数据或端口地址。
图2.7算术逻辑单元
在仿真过程中，假设操作码依次为上述8种操作码。数据值为5，累加器值为由3变0，以此来 验证zero作用。仿真波形下图所示：
图2.8 算术逻辑运算单元仿真波形
第二部分：RISC-CPU各模块设计与仿真
5.数据输出控制器
控制累加器数据输出，如图2.9由于数据总 线是各种操作时传送数据的公共通道，不同 的情况下传送不同的内容。有时要传输指令， 有时要传送RAM区或接口的数据。
图3.2 RISC-CPU各模块连接图
谢谢！！
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基于VHDL语言的8位 RISC-CPU的设计
计算机组成原理课程设计（中央处理器--微程序控制器设计）
“计算机组成原理”课程设计报告微程序控制器的设计一、设计思路按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
从而可以想到如下指令： （１）24位控制位分别介绍如下：位控制位分别介绍如下： XRD XRD ：： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
定外设读数据。
EMWR EMWR：： 程序存储器EM 写信号。
写信号。
EMRD EMRD：： 程序存储器EM 读信号。
读信号。
PCOE PCOE：： 将程序计数器PC 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
EMEN EMEN：： 将程序存储器EM 与数据总线DBUS 接通，由EMWR 和EMRD 决定是将DBUS 数据写到EM 中，还是从EM 读出数据送到DBUS DBUS。
IREN IREN：： 将程序存储器EM 读出的数据打入指令寄存器IR 和微指令计数器uPC uPC。
EINT EINT：： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP ELP：： PC 打入允许，与指令寄存器的IR3IR3、、IR2位结合，控制程序跳转。
转。
MAREN MAREN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据打入地址寄存器MAR MAR。
MAROE MAROE：将地址寄存器：将地址寄存器MAR 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
OUTEN OUTEN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据送到输出端口寄存器OUT 里。
里。
STEN STEN：： 将数据总线DBUS 上数据存入堆栈寄存器ST 中。
中。
RRD RRD：： 读寄存器组读寄存器组R0-R3R0-R3，寄存器，寄存器R?R?的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
8位逻辑计算机设计
4）内部寄存器的种类和数量
助记符
机器码1
机器码2
注释
_FETCH
00
00000
取指令
寄存器R？的值加到A上
图1.0 8位微型计算机开发设计过程
图1.1逻辑框图
表1.0功能设计
模块名称
模块功能
时钟发生器CLKGEN
产生一系列时钟信号，送往CPU其他部件
指令寄存器IR
寄存指令
累加器ACCUM
存放当前的运算结果
算术逻辑运算单元ALU
实现基本运算和操作
数据控制单元DATACTL
控制累加器数据输出
地址多路器ADDR
选择输出的地址是程序地址计数地址还是数据端口
程序计数器PC
提供指令地址
状态机MACHБайду номын сангаасNE
CPU控制核心，产生一系列控制信号，控制某些部件的启动或停止
对系统所需硬件做出初步的估计和选择
1.0对外围设备要求不高。只考虑现实、键盘、和串行口通信
2.0微处理器的考虑因素：
1）字长8位
2）寻址范围和寻址方式
ALU设计
实验报告实验人：学号：日期：2010-03-20 院（系）：软件学院专业（班级）：实验题目：ALU设计(4位和8位)一. 实验目的1.了解ALU(算术逻辑单元)的功能和使用方法2.认识和掌握超前（并行）进位的设计方法3.认识和掌握ALU的逻辑电路组成4.认识和掌握ALU的设计方法二. 实验原理从结构原理图上可推知，本实验中的ALU运算逻辑单元由4个一位的ALU运算逻辑单元组成。
每一位的ALU电路由全加器和函数发生器组成。
事实上，ALU的设计是在全加器的基础上，对全加器功能的扩展来实现符合要求的多种算术/逻辑运算的功能。
为了实现多种功能的运算，An、Bn数据是不能直接与全加器相连接的，它们受到功能变量F3—F1的制约，因此，可由An、Bn数据和功能变量F3-F1组合成新的函数Xn 、Yn，然后，再将Xn 、Yn和下一位进位Cn-1通过全加器进行全加运算以实现所需的运算功能。
ALU中，C0为最低位的进位输入端，C4为最高位的进位输出端，Sn为每一位运算结果。
一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式（n=1、2、3、4）如下：Sn=Xn⊕Yn⊕Cn-1Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1令Pn=Xn+YnGn=XnYn则Cn=Gn+PnCn-1图1 ALU的逻辑结构原理图实验要求进位位采用超前（先行、并行）进位实现。
超前进位电路同时形成各位进位，因此实现快速进位，达到快速加法的目的。
这种加法器称为超前进位加法器。
各超前（先行）进位位的形成根据表达式Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1来确定，其中n=1、2、3、4。
后产生的进位与前进位有关，最终每个进位也只和Xn、Yn、C0有关，而Xn、Yn又是An、Bn的函数，如：C1=X1Y1+(X1+Y1)C0C2=X2Y2+(X2+Y2)C1C3=X3Y3+(X3+Y3)C2一些控制信号如F3-F1为功能控制信号，控制着4位ALU运算逻辑单元的八种功能操作：A4-A1和B4-B1为ALU的两组数据输入端；S4-S1为4位ALU的4个输出端，S表示为S=S4S3S2S1；C4为4位ALU的最高位进位输出端，依此还有C3、C2、C1。