组成原理8位模型机的设计
武汉理工计算机组成原理课设基本模型机及利用1024M×8位设计4096M×32位存储器
武汉理工大学课程设计课程名称计算机组成原理设计题目基本模型机及利用1024M×8位设计4096M×32位存储器班级学号姓名___ ______指导教师日期2014年6月27日课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：计算机学院题目: 基本模型机及利用1024M×8位设计4096M×32位存储器初始条件：1.完成<<计算机组成原理>>课程教学与实验2.TD-CMA计算机组成原理教学实验系统要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.掌握复杂指令系统计算机的微控制器功能与结构特点2.熟悉TD-CMA教学实验系统的微指令格式3.设计五条机器指令,并编写对应的微程序4.在TDN-CMA教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果5.建立复杂指令系统计算机的整机概念模型时间安排：1.第19周周1(6月23日):全体集中讲解课程设计原理与方法2.第19周周1～5(6月23～27日):分班实验,调试机器指令程序指导教师签名： 2014年 6 月 18 日系主任（或责任教师）签名： 2014年月日目录1.课程设计目的 (4)2.课程设计设备 (4)3.课程设计内容3.1 课程设计原理 (4)3.1.1 课程设计机器令 (5)3.1.2 微指令格式 (5)3.1.3 数据通路图 (6)3.1.4 微程序流程图 (6)3.1.5 微指令二进制微代码表 (7)3.1.6 机器指令程序 (7)3.2 实验步骤 (8)3.2.1 实验接线 (8)3.2.2写入实验程序 (9)3.2.3运行程序 (10)4.程序运行结果界面截图 (11)5.课程设计总结 (11)5.1 给出每条机器指令的微程序 (11)5.2 课程设计心得、经验教训及注意事项 (12)6.基本模型机及利用1024M×8位设计4096M×32位存储器 (13)1、课程设计目的：掌握计算机功能模块的原理和关系,建立计算机整机概念2、课程设计设备：TDN-CM计算机组成原理实验系统,排线若干3、课程设计内容3.1课程设计原理本次课程设计实现一个简单的CPU，由此构建一个简单模型计算机。
8位机微程序控制器模型计算机的设计与实现
8位机微程序控制器模型计算机的设计与实现以8位机微程序控制器模型计算机的设计与实现为题，本文将详细介绍该计算机的设计原理、工作方式以及实现过程。
一、引言计算机是现代社会不可或缺的工具，它的发展离不开控制器的设计与实现。
微程序控制器是一种常见的控制器设计方式，它通过一组微指令来控制计算机中的各个部件，实现计算机的操作功能。
二、设计原理8位机微程序控制器模型计算机的设计原理主要包括微程序存储器、微指令控制器、指令译码器和各个部件之间的连接。
1. 微程序存储器：微程序存储器存储了一组微指令，每个微指令对应一条计算机指令的执行步骤。
微指令包括操作码、地址码和控制信号等信息。
2. 微指令控制器：微指令控制器根据当前指令的操作码从微程序存储器中读取对应的微指令，并将其中的控制信号传递给各个部件，控制其工作。
3. 指令译码器：指令译码器将指令的操作码解析为对应的微指令地址，并发送给微指令控制器。
4. 各个部件之间的连接：微指令控制器将控制信号传递给各个部件，包括算术逻辑单元、寄存器、存储器等，控制其进行相应的操作。
三、工作方式8位机微程序控制器模型计算机的工作方式主要包括指令执行和状态转移两个过程。
1. 指令执行：当一条指令被加载到计算机中后，指令译码器将其操作码解析为对应的微指令地址，并发送给微指令控制器。
微指令控制器根据微指令地址从微程序存储器中读取对应的微指令，并将其中的控制信号传递给各个部件。
各个部件根据接收到的控制信号进行相应的操作，完成指令的执行。
2. 状态转移：在指令执行过程中，根据指令的要求或者计算机内部的状态变化，微指令控制器可能需要进行状态转移。
状态转移是通过修改微指令控制器中的当前微指令地址实现的。
微指令控制器在当前指令执行完毕后，根据状态转移条件来确定下一条微指令的地址，从而实现状态的转移。
四、实现过程8位机微程序控制器模型计算机的实现过程主要包括微程序存储器的设计、微指令控制器的设计以及各个部件的连接与控制。
8位模型计算机的设计
石家庄经济学院华信学院计算机组成原理课程设计报告题目 8位模型计算机的设计姓名学号班号 4064170801指导老师关文革尹立洁赵洋成绩2009年1月目录1. 课程设计目的 522. 开发工具选择 523. 方案选择 524．指令系统设计 525. 模型机框图设计 526. 指令流程图 527. 指令操作时间表（组合逻辑控制器）或者微指令格式（微程序控制器）设计 528. 微操作信号综合与优化（组合逻辑控制器）或者微程序（微程序控制器）设计 529. VHDL实现 5210. 调试仿真 5211. 课程设计回顾总结 52参考文献 52附录 52一、课程设计目的1、计算机组成原理课程设计的主要任务是让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题。
综合运用所学计算机组成原理知识，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基本的模型计算机，掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计算机上调试运行。
2、通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。
二、开发工具选择以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言 VHDL为设计工具，应用QUARTUSⅡ5.1环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。
三、方案选择应用微程序控制器来实现8位模型计算机的设计。
四、指令系统设计所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：load，sta，add，sub，and1，nop，jmp。
实现功能分别如下：load指令是公操作，实现取数据的功能；sta指令实现存操作；add指令实现加法操作；sub指令实现减法操作；and指令实现与操作； nop指令实现空操作；jmp指令实现无条件跳转操作。
其中add，sub，and1，属于双操作数指令，其指令格式如下图：目的源其中jmp属于转移指令，其指令格式如下图：转移条件转移地址五、模型机框图设计I/O六、指令流程图Addr_busload_MARCSR_NW3OPNopAndSubAddStaJmp Load913111210814ACC_bus load_MDR transfer CSR_NWCSR_NWCSR_NW1676417MDR_bus load_MDR 5CSMDR_busALU_ACCALU_ANDMDR_busALU_ACCALU_SUBMDR_busALU_ACCALU_ADDMDR_busload_ACC七、微指令格式（微程序控制器）设计八、微程序（微程序控制器）设计微处理器的所有数据通路宽度是8位，操作码是3位。
八位模型机设计
八位模型机设计||实验名称八位模型机设计课程名称计算机组成原理程序设计||专业班级：计算计科学与技术学生姓名：实验日期：2015年5月验证性、综合性实验报告应含的主要内容：一、实验目的及要求二、所用仪器、设备三、实验原理四、实验方法与步骤五、实验结果与数据处理六、讨论与结论（对实验现象、实验故障及处理方法、实验中存在的问题等进行分析和讨论，对实验的进一步想法或改进意见）七、所附实验输出的结果或数据设计性实验报告应含的主要内容：一、设计要求二、选择的方案三、所用仪器、设备四、实验方法与步骤五、实验结果与数据处理六、结论（依据“设计要求”）七、所附实验输出的结果或数据目录一、摘要.......................................................................................................... 错误!未定义书签。
二、前言.......................................................................................................... 错误!未定义书签。
三、设计目的、任务与内容.......................................................................... 错误!未定义书签。
设计目的.................................................................................................. 错误!未定义书签。
根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个8位的模型计算机。
..... 错误!未定义书签。
设计任务.................................................................................................. 错误!未定义书签。
组成原理8位模型机的设计
计算机组成原理课程设计报告题目8位模型计算机的设计姓名学号班号指导老师成绩目录191. 课程设计目的(1)、计算机组成原理课程设计的主要任务是让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题。
综合运用所学计算机组成原理知识，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基本的模型计算机，掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计算机上调试运行。
(2)、通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。
2. 开发工具选择以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言 VHDL为设计工具，应用QUARTUSⅡ环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。
3. 方案选择实习的内容为八位模型计算机的设计，为单总线，微程序控制方式，设置两种寻址方式：直接寻址（“0”）和寄存器寻址（“1”）。
微程序控制方式由微指令译码产生。
微程序中一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干为命令以代码编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。
然后根据系统的需要，事先编制各段微程序，将它存入控制存储器（CM）中。
微程序执行过程：（1）从控存中逐条取出“取指令操作”，执行取指令公共操作。
（2）根据指令的操作码，经过微地址形成部件，得到这条指令的入口地址，并送入微地址寄存器中。
（3）从控存中逐条的取出对应的微指令并执行。
（4）执行完一条机器指令对应的微程序后又回到取指微程序的入口地址，继续第（1）步，以完成取下一条机器指令的公共操作。
微程序控制基本框图：图1 微程序控制基本框4. 指令系统设计所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：sta, add, sub, and1, jmp, shl, nop。
实现功能分别如下：sta 指令实现存操作；add 指令实现加法操作；sub 指令实现减法操作；and1指令实现与操作；jmp 指令实现无条件跳转操作；shl 指令实现逻辑左移操作；nop 指令实现空操作。
计算机组成—复杂模型机方案
课程设计：计算机组成原理题目名称：复杂模型机的设计姓名:学号：1108020184 1108020185班级：网络工程1101班完成时间：2018年1月6日1设计目的：建立清晰完善的整机概念；学习设计与调试计算机的基本方法；培养严谨的科研作风和独立工作能力。
2设计任务：综合运用所学的计算机原理知识，按给定的指令系统分和数据格式，在所提供的设备范围内，设计一台字长八位的由微程序控制器来控制的模拟计算机。
设计并实现较为完整的八位模型计算机。
设计微程序控制器的逻辑原理电路图；设计微地址转移的逻辑电路图；设计微程序流程图；设计说明书。
3设计指标：字长八位；时钟源MF=QB=1us内存容量不得小于2 8；指令系统不得小于十四条。
要求算术逻辑指令七条、访问内存和控制指令四条、输入输出指令两条、其他指令一条。
4设计说明：4.1数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下:其中,第7位为符号位，数值的表示范围是：-1乞X ＜1模型机设计四大类指令共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。
[1]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-COD为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定:[2]访存指令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指令（BZC＞。
其格式如下：D其中，OP-CODE^操作码，Rd为目的寄存器，D为位移量（正负均可＞,M为寻址方式，其定义如下：本模型机规定变址寄存器RI指定为寄存器R2[3]I/O 指令输入v IN）和输出＜OUT）指令采用单字节指令，其格式如下:其中，addr=01时，表示选中“输入单元”中的开关组作为输入设备，addr=10时，表示选中“输出单元”中的数码管作为输出设备。
8位模型机设计-指令系统及通用寄存器设计
东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院计算机组成原理课程设计专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.22~2015.1.2课程设计任务书专业：计算机科学与技术学号：学生姓名（签名）：设计题目：8位模型机设计－指令系统及通用寄存器设计一、设计实验条件综合楼808实验室二、设计任务及要求总的设计目标是：设计一个8 位的模型机，其组成为：总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位；●存储器:内存容量64K*8bit●控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号●运算器:单累加器，实现加、减等8种操作外设：●输入：用开关输入二进制量●输出：7段数码管和LED显示指令系统规模：64 条指令，7种类型，5种寻址方式本组任务是：1.设计12、15、22、32号指令；2.模型机的通用寄存器R1设计；3.BCD编码器的设计。
三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）设计内容如下：1、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中2、模型机硬件设计：通用寄存器R13、逻辑电路设计：BCD码编码器2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)1.融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；2.学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；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经验。
3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）【系统设计】1、模型机逻辑框图图1 模拟机整体逻辑框图图2 XCV200芯片引脚图3 CPU逻辑框图2、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位助记符：ADDC A, #II类型：算数运算指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节001011XX第二字节立即数：SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值助记符：SUB A, EM类型：算数运算指令寻址方式：存储器直接寻址指令格式：第一字节001110XX第二字节存储地址：AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值助记符：AND A, @R?类型：算数运算指令寻址方式：寄存器间接寻址指令格式：第一字节010101XX：MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中助记符：MOV A, #II类型：数据传送指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节011111XX第二字节立即数3、微操作控制信号：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。
计算机组成原理实验之基于复杂模型机两个8位二进制数乘法的实现
计算机组成原理实验之基于复杂模型机两个8位二进制数乘法的实现本文将讨论计算机组成原理实验中基于复杂模型机实现两个8位二进制数乘法的方法和过程。
首先，我们需要了解什么是复杂模型机。
复杂模型机是一种指令集较为丰富的模型机，它可以对各种计算机组成原理相关的知识进行实验，包括数据传输、算术运算、控制逻辑等。
通过使用复杂模型机，我们可以更加直观地理解计算机的工作方式。
在该实验中，我们需要实现两个8位二进制数的乘法。
具体步骤如下：1.首先，我们需要设计一个乘法单元，该单元可以将两个8位的二进制数进行乘法运算，并输出结果。
乘法单元可以采用循环加法的方法实现，即将其中一个乘数逐位与另一个乘数相乘，并将结果累加。
在循环中，需要使用一个累加器来存储运算结果。
2.在乘法单元的设计中，我们需要考虑进位和溢出情况。
当两个二进制数相乘得到的结果超过8位时，我们需要保留最低的8位，并且判断是否有进位。
当运算结果超过8位时，我们需要对结果进行截断，并输出进位信息。
3.实现乘法单元时，还需要考虑符号位的处理。
由于本实验中我们只考虑无符号二进制数的乘法，因此我们可以忽略符号位的处理。
4. 实验中可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行乘法单元的设计和仿真。
利用仿真工具，我们可以对设计的乘法单元进行测试和调试，确保其功能正确。
5.在设计和实现完乘法单元后，我们可以将其集成到复杂模型机的指令集中。
具体实现方式可以根据复杂模型机的架构和指令集设计进行调整。
通过以上步骤，我们可以实现两个8位二进制数乘法的功能。
在实验中，我们可以通过提供不同的测试用例来验证乘法功能的正确性，并观察乘法单元的输出结果是否符合预期。
此外，我们还可以将乘法单元与其他指令进行组合，进一步实现复杂的运算和应用，以加深对计算机组成原理的理解。
总结起来，基于复杂模型机实现两个8位二进制数乘法的实验需要进行乘法单元的设计和实现，并将其集成到复杂模型机的指令集中。
8位模型机的设计与实现
结 构和数 据通 路如 图 １所 示． 制 器 是 整个 模 型 机 控
的 中心 ， 由它 来控制 计算 机指 令 的执行 ． 型机执行 模 指 令 的具 体过程 为 ： 先 控 制器 从 指令 寄 存 器 取得 首 指令， 编译 指 令 ， 输 出微 控 制 信 号 ， 制 ＡＬ 的 再 控 Ｕ 运算 ， Ｃ加 １ 并且 从 ＲＡＭ 中取 出数 据 运算 ， 算 Ｐ ， 运
方式后 ， 要掌握 其它类 型 的 寻址 方 式 （ 接寻 址 等） 间 就 比较 容易 了． 由于我 们 设计 模 型 机 的主要 目的 又 是 为 了使 学生掌握 计算机 的工作 原理及 指令在 计算 机 中执行 的流程 ， 而不 是 真 正要 实 现一 台计算 机 产 品 ， 以我们 只在模 型机 中实现这 两种 寻址方式． 所
觉得 计 算 机 组 成 原 理 整 机 实验 不 再 抽 象 难 懂 ． 关 键 词 ：模 型 机 ； 计 与 实 现 ； 设 ＶＨＤＬ 中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ０ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １ ７ 一 ｌ ９ （ ０ １０ — ０ ７ —０ ６ １ ｌＸ ２ １ ）１ ０ １ ３
立 即数或 存储 单元 等操 作 数 ， ４位用 于保 存 指令 高 操 作码 ， 模型 机 的指令 格式 如图 ２ 示． 所 模型 机指令
系统 包括 数据 传送 类指 令 、 术逻辑 运算 类指令 、 算 转 移类 指令 、 停机 指令 ４类 指令 ， １ 共 ０条指令 ． 每条 指 令 的助记 符 、 令格 式 、 指 机器码 和指令 功能 如表 １所
存 器读 取 下一 条指令 ， 次循 环． 依
０ 引 言
计算 机组成 原理是 计算 机科 学 专业 的一 门重 要 的专 业基础 课 ， 内容 包 括 计算 机 部 件 和 整 机 的组 成
基于VHDL的8位模型计算机的设计与实现
摘要随着计算机在人们生活中重要性和不可或缺性的提高,为了更方便的为大众使用,发展计算机性能成为IT行业的热点,但计算机的部结构极其复杂,为了便于研究便产生了模型计算机。
本文完成了基于VHDL的8位模型计算机的设计与实现。
文中首先阐述了8位模型计算机的原理,然后对其十个功能模块〔算术逻辑运算单元,累加器,控制器,地址寄存器,程序计数器,数据寄存器,存储器,节拍发生器,时钟信号源,指令寄存器和指令译码器进行了分析与设计。
最后在Quartus II 9.0环境下进行了仿真,完成了8位模型计算机的整体实现。
本文综合了计算机组成原理和数字逻辑与系统设计的知识,设计的8位模型计算机能更方便的了解计算机部构造和工作原理。
整个系统的开发体现了在Quartus II软件平台上用VHDL设计数字控制系统的实用性。
关键词：8位模型机； Quartus II ；VHDL语言AbstractWith the improvement of importance and indispensability in computer in people's life,in order to use more conveniently for public ,computer performance is becoming a hot in the IT industry development.but the internal structure of the computer is very complicate,Computer model simplifies the difficulty of the research.This article completed the design and implementation of eight model computer based on VHDL.First ,this article expounds the principle of eight model computer,then divides it into 10 modules<arithmetic logic unit, accumulator, controllers, address register, the program counter and data registers, memory, beat generator, a clock signal, instruction register and instruction decoder>and analyse and design each of them.Finally under the environment of the Quartus II 9.0 simulation, completed overall implementation of the 8 model computer. The analysis and design of the eight model computer integrated the knowledge of computer constitute principle and Digital logic and system design. The design of the eight model computer can be more convenient to understand internal structure and working principle.The whole system development manifests the practicability of designing the numerical control system on the Quartus II software platform with VHDL.Key words:eight model computer ; VHDL language; Quartus II目录1 绪论11.1 本课题研究的目的11.2 本课题研究的背景及意义12 基于VHDL编程的基础知识32.1 VHDL语言概述32.2 VHDL的设计流程 (4)2.3 有关Quartus II 的介绍52.4 本课题基于Quartus II的设计流程73 基于VHDL8位模型机的原理与设计73.1 模型计算机的原理73.2 模型机的总体设计要求83.3 模型机逻辑框图的设计83.3 模型机的指令系统设计83.4 模型机的指令执行流程设计83.5 基于VHDL8位模型机各模块的设计与实现 (10)3.5.1 算术逻辑单元ALU模块103.5.2 累加器模块113.5.3 控制器模块123.5.4 节拍发生器143.5.5 指令寄存器模块IR和指令译码器163.5.6 时钟产生器173.5.7 程序计数器模块183.5.8 地址寄存器MAR203.5.9 存储器RAM213.5.10 数据寄存器DR224 基于VHDL的8位模型计算机的实现234.1 基于VHDL的微程序执行流程图234.2 8位模型机的顶层原理图设计244.3 基于VHDL的8位模型机工作流程244.4 顶层VHDL源程序设计254.4.1 头文件cpu_defs的VHDL设计254.4.2 CPU的VHDL源程序设计264.5 8位模型机的整体实现34结论34致 35参考文献36附录A 英文原文.......................................... 错误!未定义书签。
8位模型计算机自动测试系统的设计与实现
０ 引 言
（ ｌ 机 组 成 原 理 》 程 是 大 学 本 科 计 算 机 科 学 与 （－ ｔ算 课
技 术 专 业 的 主 干 课 程 ， 《 算 机 组 成 原 理 》 程 设 计 而 计 课 是 学 习这 门 课程 的 关键 实 践 环 节 所 采 用 的实 验 设 备
控 制 器 模 块 由 Ｎ ２ Ｃ１ ＭＣ ７ ６芯 片 、４ Ｓ ６ ７ Ｌ １ １芯 片 、
７ Ｌ ２ ３芯 片 、４ Ｓ ２ ４ Ｓ７ ７ Ｌ １ ５芯 片 、４ Ｓ ４芯 片 和 ７ Ｌ ０ ７Ｌ７ ４Ｓ８
芯 片 所 组 成 ． 要 作 用 是 将 指令 编 译 为 控 制 信 息 ． 按 主 并
操作次序将这些信息传送给相关部件
时 序 模 块 由 ７ Ｌ ３ 片 、４ Ｓｌ ４ Ｓ７ ７ Ｌ １ 片 、４ Ｓ ９ ７Ｌ３３ 芯 片 、４ Ｓ ２ ７ Ｌ １ ３芯 片 和 Ｌ ５ Ｍ５ ５芯 片 所 组 成 ． 要 作 用 是 主
现 存 储 器 模 块 的读 写 操 作
运 算 器 模 块 由 ７ Ｌ １ １芯 片 、４ Ｓ ７ ４Ｓ８ ７ Ｌ ２ ３芯 片 和
７ ［ ２ ４芯 片所 组 成 ．主 要 作 用 是 完 成 对 操 作 数 的 运 ４ ４ ￥
算 功 能
图 １ 测 试 系 统 的 结构
收 稿 日期 ： ０ ２ ７ ０ ２ １ —０ — ３ 修 稿 日期 ：０ ２ ０ —２ ２１— ８ ０
是 ８位 模 型 计 算 机 由运 算 器 、 储 器 、 程 序 控 制 器 和 存 微
时 序 电路 等 模 块 组 成 课 程 设 计 规 模 较 大 ． 线 较 多 ． 接
很 容 易 出现 接 线 错 误 或 设 备 故 障 ． 成 实 验 无 法 进 行 造 闪此 ． 实 验 前 ． 要 对 实 验 设 备 进 行 测 试 如 果 采 用 在 需 手工测 试 ． 则工 作 量 过 大 ， 乎 无 法 实 现 本 文 设 计 了 儿 基 于 ＭＣ 一 】 单 片 机 自动 测 试 系统 ， 别 对 运 算 器 、 Ｓ５ 的 分
硬件课程设计——复杂模型机设计
硬件课程设计——复杂模型机设计一． 实验目的：经过一系列硬件课程的学习及相关实验后，做一个综合的系统性的设计，这在硬件方面是一个提高，进一步培养实践能力。
二． 实验内容：搭建一台8位模型机，指令系统要求有10条 以上，其中包括运算类指令、传送类指令、 控制转移类指令、输入输出指令、停机指令等。
三． 实验思路：1、确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用途。
2、确定指令系统：确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。
3、确定总体结构与数据通路：总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构，列出各种信息传送路径以及实现这些传送所需要的微命令。
4、设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。
根据指令的复杂程度。
每条指令所需要的机器周期数。
对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需要考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中。
5、确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每条微程序地址及分支转移地址。
6、根据微指令格式，将微程序流程中的所有微操作进行二进制代码化，写入到控制存储器中的相应单元中。
7、组装、调试：在总装调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。
四． 实验原理：4.1指令系统及指令格式：指令系统包括：算术逻辑运算指令、访存指令、控制转移指令、I/O 指令、停机指令。
一般指令格式：指令系统如: ADD RS,RD MOV DATA,RD MOV RS,[ADDR] JZ ADDR IN RD HALT其中RS 、RD 为R0、R1、R2中之一 ，DA TA 为立即数，ADDR 为内存地址。
DATA/ADDROP-CODE RS RD DATA/ADDR00 M OPCODE RD4.2微指令格式：WE A9 A80 0 0 INPUT0 0 1 RAM读1 0 1 RAM写1 1 0 LED,写接口0 1 1 无0 1 0 写接口299移位控制表299-b s1s0m功能0 0 0 任意保持0 1 0 0 循环右移0 1 0 1 带进位循环右移0 0 1 0 循环左移0 0 1 1 带进位循环左移任意 1 1 任意装数4.3微程序地址入口的形成：P（1）是用来译码指令寄存器的I7、I6、I5、I4 ,用于一般指令,微程序入口址为OP+10HP（2）是用来译码指令寄存器的I3、I2 ,用于不同寻址方式指令，入口地址转OP+20HP（3）是用来译码判断标志位C、Z ,用于条件转移指令,条件成立转OP+30H,条件不成立转OP+20HP（4）是用来译码控制台操作的SWB、SW A ,用于手动操作。
简单8位模型机设计
计算机组成原理课程设计报告130732102015．7. 128位模型机总体结构设计8位模型机数据通路设计8位模型机具体部件设计图时序发生器CLK : 时钟信号HALT: 停机信号m[7..0] : 输出时序信号Timer波形程序计数器CPPC ：上升沿控制信号PC1 :PC自加一控制信号PC-BUS :三态门控制BUS[7..0] : 数据输入/输出运算器BUS[7..0] : 数据输入/输出CPSA：A暂存器控制信号CPSB：B暂存器控制信号ALU-BUS ：三态门控制CN ：运算信号M ：运算信号S[3..0] ：运算控制信号通用寄存器组BUS[7..0] : 数据输入/输出WE ：写入控制信号使能端WA ：寄存器写入控制信号WB ：寄存器写入控制信号RE：读取控制信号使能端RA：寄存器读取控制信号RB ：寄存器读取控制信号主存BUS[7..0] : 数据输入/输出CPMAR : 主存地址写入控制信号WRE ：主存写入控制使能端WR ：主存写入控制信号RD主存读取控制信号RAM-BUS ：三态门控制CPMDR ：主存数据写入控制信号总线暂存器BUS[7..0] : 数据输入/输出CPBUS ：暂存器输入控制信号OUTBUS：暂存器输出控制信号uPCIR控存8位模型机机器指令设计MOV A, 88H 10 传送指令（立即数->寄存器）MOV B, 66H 20 传送指令（立即数->寄存器）ADD A, B 30 加法算术运算DEC A 40 自减一AND A, B 50 逻辑与运算JMP 80H 60 跳转指令INC A 80 自加一HALT 90 停机指令8位模型机微指令表8位模型机微指令入口地址：80DEC ARE CPSA UPCWE S0 S1 S2 S3 S4 ALU-BUS CN 0-UPC 0-IR入口地址：90HALTHALT8位模型机模型机调试波形MOV A, 88HMOV B, 66HADD A, BDEC AAND A, BINC AHALTJMP 80h8位模型机指令汇总公共取值（小组共同）MOV A , 88H （小组共同）MOV B , 66H （自己设计）ADD A, B （小组共同）DEC A （自己设计）AND A, B （小组设计）DEC A （自己设计）JMP 80H （小组设计）HALT （小组设计）心得体会在完成了本次课程设计后，我的感触颇多。
_嵌入式的8位CISC模型机设计1组成原理课程设计报告
嵌入式的8位CISC模型机设计目录一、实验目的二、设计题目及要求三、设计方案：1.模型机的总体设计2. 微程序控制器的组成原理框图3. 模型机机器指令格式和指令系统4. 时序产生器的设计原理及时序波形图5. 微程序流程图6. 汇编语言源程序四、设计的过程与步骤五、模型机的各单元VHDL源程序六、模型机系统顶层电路图七、模型机的时序仿真波形图八、设计总结九、参考文献韶关学院课程设计任务书学生姓名XXX 专业班级10级1班学号XXXXXXXXXX指导教师姓名及职称彭玄璋讲师设计地点信息418设计题目嵌入式的8位CISC模型机设计本课程设计课题任务的内容和要求题目1：设计一台嵌入式的8位CISC模型计算机，并运行能完成一定功能的机器语言程序进行验证，程序功能是：✧求出1到任意一个整数N之间的所有奇数之和并输出显示，和为单字长。
说明：N从开关输入，和从数码管输出，然后输出显示停止。
对本课程设计工作任务及工作量的要求：课程设计完成工作任务内容如下：（1）完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图。
（2）设计微程序控制器（CISC模型计算机）或硬联线控制器（RISC模型计算机）的逻辑结构图。
（3）设计机器指令格式和指令系统。
（4）设计时序产生器电路。
（5）设计所有机器指令的微程序流程图（CISC模型计算机）或CPU操作流程图（RISC 模型计算机）。
（6）设计操作控制单元。
●若设计的是CISC模型计算机，则设计微指令格式（建议采用全水平型微指令），并根据微程序流程图和微指令格式设计微指令代码表。
根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码设计微程序控制器，包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器。
●若设计的是RISC模型计算机，则根据CPU操作流程图、RISC模型机数据通路框图、硬联线控制器逻辑框图和时序产生器电路写出模型机中所有控制信号的逻辑表达式。
根据逻辑表达式设计RISC CPU中的硬联线控制器。
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3.方案选择
实习的内容为八位模型计算机的设计，为单总线，微程序控制方式，设置两种寻址方式：直接 寻址(“0”和寄存器寻址(“1”)。
微程序控制方式由微指令译码产生。微程序中一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作
所需的若干为命令以代码编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。
add
sub
an d1
jmp
shl
nop
编码方式
000
001
010
011
100101110含义 Nhomakorabea传送
加
减
与
跳转
逻辑左移
空
表1指令列表
5.模型机框图设计
模拟机数据通路如下图所示，模型机采用单总线结构，主要包括运部件ALU，以及程序计数器
PC、累加器ACC、指令寄存器IR、数据寄存器MDR、地址寄存器MAR和通用寄存器R，RAM为内存。
alu_ and
alu_
acc
inc
_pc
addr _bus
cs
r_ nw
alu_ add
alu_ sub
下址
字段
4程序计数器PC。用于存放下一条指令的内存地址。
(2)总线宽度：该模拟机只有一条总线，且总线宽度为8位。
(3)ALU位数及运算功能
ALU可以实现8位操作数的运算，即ALU的位数为8位。
ALU运算功能为：
PC_bus
用PC的内容驱动总线
load」R
将总线上的数据装载至IR
load_MAR
将总线上的数据装载至MAR
MDR_bus
用MDR的内容驱动总线
ALU_ACC
用ALU的结果装载ACC
INC_PC
PC+1并将结果存至PC中
Addr_bus
用IR指令中的地址部分驱动总线
CS
片选。用MAR的内容设置存储器地址
计算机组成原理课程设计报告
题 目8位模型计算机的设计
姓 名
学 号
班 号
指导老师
成 绩
1.课程设计目的3
2.开发工具选择3
3.方案选择3
4.指令系统设计4
5.模型机框图设计5
6.指令流程图6
7.微指令格式（微程序控制器）设计7
8.微程序（微程序控制器）设计7
9.VHDL实现9
10.调试仿真16
11.课程设计回顾总结19
然后根据系统的需要，事先编制各段微程序，将它存入控制存储器(CM中。
微程序执行过程：
(1)从控存中逐条取出“取指令操作”，执行取指令公共操作。
(2)根据指令的操作码，经过微地址形成部件，得到这条指令的入口地址，并送入微地址寄存 器中。
(3)从控存中逐条的取出对应的微指令并执行。
(4)执行完一条机器指令对应的微程序后又回到取指微程序的入口地址，继续第(1)步，以 完成取下一条机器指令的公共操作。
微程序控制基本框图:
微地址
形成电路
微地址寄
存器MAR
图1微程序控制基本框
4.指令系统设计
所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：sta, add, sub, and1, jmp, shl, nop。
实现功能分别如下：
sta指令实现存操作；
add指令实现加法操作；
sub指令实现减法操作；
andl指令实现与操作；
器MDR，把从内存取出的数据暂存于MDR中，在用到该数据进行运算时，再从MDR中取出数据
进行运算。
微
地
址
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4--0
alu_ srl
reg_ bus
load
_pc
acc_ bus
load
_acc
pc_ bus
loa d」r
load
_mar
mdr _bus
8•微程序（微程序控制器）设计
根据微处理器的数据通路和指令系统，可得出微程序的流程图如图4所示。微程序的编码采用
直接编码方法，每一个控制信号对应一位，共有17个控制信号，根据微指令格式把相关的控制信号
(2)、通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的 理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研 制与设计打下基础。
2.开发工具选择
以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言VHDL为设计工具，应用QUARTU1S5.1环
PC的内容通过总线送入地址寄存器
MAR，存储信息，PC+1传送给PC,把读出的内容传送给指令寄存器
根据不同的指令，执行顺序也不同。
开始
PC—>MAR
M—>IR，PC+1—>PC
7.微指令格式（微程序控制器）设计
微指令格式设计如表1:
控制信号
描述
ACC_bus
用ACC的内容驱动总线
load_ACC
将总线上的数据载入ACC
jmp指令实现无条件跳转操作；
shl指令实现逻辑左移操作；
nop指令实现空操作。
75 410
操作码
寻址方式
标志位
图2指令格式
模拟机采用了定长的指令格式，每条指令字长为8位。采用的寻址方式为直接寻址和寄存器寻
址，标志位为“0”时为直接寻址，为“1”时为寄存器寻址。
操作码类型及编码方式如下：
操作码
sta
参考文献19
附录19
1.课程设计目的
(1)、计算机组成原理课程设计的主要任务是让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问 题。综合运用所学计算机组成原理知识，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统 构造一台基本的模型计算机，掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计 算机上调试运行。
R_NW
读取，不可写。当R_NWt效且CS有效时，MBR的内容存储于存储器中
Reg_bus
用寄存器R的内容驱动总线
load_Reg
将总线上的数据装载至R
ALU_ADD
在ALU中执行逻辑加操作
ALU_SUB
在ALU中执行减操作
ALU_AND
在ALU中执行与操作
ALU_SHL
在ALU中执行左移操作
表2微指令格式
图2模拟机数据通路
(1)寄存器的位数
所有的寄存器都均为8位：
1通用寄存器R。该模拟机有1个通用寄存器，用于寄存器寻址时存放结果，提供操作数。
2指令寄存器IR。为了提高取指令的速度，将指令从内存中读出，经数据总线直接置入IR。
3数据寄存器MDR、地址寄存器MAR。地址寄存器MAR提供访问主存的地址；数据寄存
力口（001:add）、减（010:sub）、逻辑与（011:and）、左移（101:shl）、跳转（100:jmp）、 空（110:nop）。
（4）微命令的设置（各标识的含义）
6.指令流程图
指令的流程图如图3所示，共有8条指令，每条指令都要经过取指令、分析指令和执行
指令3个步骤。
在取指令阶段，8条指令是一样的，首先程序计数器