组成与体系结构实验二

1、计算机组成与体系结构课程设计计算机组成与体系结构课程设计西安电子科技大学软件学院西安电子科技大学软件学院实验二：运算器组成实验实验二：运算器组成实验 2012年年2月月西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 实验介绍实验介绍 使用大规模使用大规模 fpga、eda软件工具和软件工具和 ieee标准硬件描标准硬件描述语言

2、构建的现代计算机组成原理实验系统取代传统的计述语言构建的现代计算机组成原理实验系统取代传统的计算机组成原理实验已成为势在必行。算机组成原理实验已成为势在必行。 利用利用 fpga技术，在实验中能方便灵活地设计出简单技术，在实验中能方便灵活地设计出简单完整的完整的c p u模型机。基于查找表硬件结构的商用模型机。基于查找表硬件结构的商用fpga是是当前进行快速系统原型设计最流行的当前进行快速系统原型设计最流行的asic手段。手段。altera的的acex系列系列fpga产品具有片上产品具有片上eab，可以构成各种类型，可以构成各种类型的存储器结构，利用在其内部的的存储器结构，利用在其内部的lpm

3、可以实现微程序控制可以实现微程序控制和管理复杂逻辑电路。和管理复杂逻辑电路。 2西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 实验介绍实验介绍 现代计算机组成原理实验系统的现代计算机组成原理实验系统的cpu核心部分由核心部分由fpga设计实现，通过设计实现，通过fpga将将cpu核心部件中的指令寄存器、程核心部件中的指令寄存

4、器、程序计数器、地址寄存器、暂存寄存器、运算寄存器、缓冲序计数器、地址寄存器、暂存寄存器、运算寄存器、缓冲寄存器、存储器、微地址寄存器、输入缓冲寄存器等大量寄存器、存储器、微地址寄存器、输入缓冲寄存器等大量的数据实时地在数码管和的数据实时地在数码管和 led灯显示出来。各类操作指示灯显示出来。各类操作指示、数据动态流向显示，直观明了，一目了然，摆脱了与电、数据动态流向显示，直观明了，一目了然，摆脱了与电脑联机的麻烦。该实验仪采用脑联机的麻烦。该实验仪采用fpga设计设计cpu内部结构，采内部结构，采用模块化设计，单元电路分开，模块间连接通过内部总线用模块化设计，单元电路分开，模块间连接通过内部

5、总线和总线选择多路开关连接相，不必进行硬件连线，从而大和总线选择多路开关连接相，不必进行硬件连线，从而大大提高了实验的成功率。传统的计算机组成原理实验台体大提高了实验的成功率。传统的计算机组成原理实验台体积庞大，使用的芯片种类繁多，实验中需要花许多时间进积庞大，使用的芯片种类繁多，实验中需要花许多时间进行大量的连线，系统的可靠性低，由于芯片或连线出现的行大量的连线，系统的可靠性低，由于芯片或连线出现的各种故障排查困难。各种故障排查困难。 3西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, c

6、hina 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 实验介绍实验介绍 计算机组成原理实验台采用模块化的系统结构，学生计算机组成原理实验台采用模块化的系统结构，学生可通过一系列基本单元实验和模型计算机综合设计实验，可通过一系列基本单元实验和模型计算机综合设计实验，对对cpu的运算功能、控制功能、总线结构、指令系统的设的运算功能、控制功能、总线结构、指令系统的设计和微指令的实现，以及计和微指令的实现，以及cpu内部是如何工作的，有直观内部是如何工作的，有直观、深刻的认识。学生在进行各个单

7、元实验和综合实验时，、深刻的认识。学生在进行各个单元实验和综合实验时，既可以通过系统计算机进行综合设计，系统软件仿真、观既可以通过系统计算机进行综合设计，系统软件仿真、观察仿真波形，更重要的是可以在计算机组成原理实验平台察仿真波形，更重要的是可以在计算机组成原理实验平台上，将自己设计的上，将自己设计的cpu电路下载到电路下载到fpga中进行硬件仿真。中进行硬件仿真。观察观察cpu内部的各种信息：包括数据总线、地址寄存器、内部的各种信息：包括数据总线、地址寄存器、程序计数器、指令译码器、指令寄存器、控制信号、内部程序计数器、指令译码器、指令寄存器、控制信号、内部寄存器、数据寄存器、微指令存储器寄

8、存器、数据寄存器、微指令存储器lpmrom中的数据中的数据等，可以实时、直观地显示在数码管上，使学生实时观察等，可以实时、直观地显示在数码管上，使学生实时观察每条指令及微指令的执行情况，从而对计算机的原理、结每条指令及微指令的执行情况，从而对计算机的原理、结构，从部件到系统，直到计算机整机有一个形象的、生动构，从部件到系统，直到计算机整机有一个形象的、生动的、本质的认识。的、本质的认识。4西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子

9、科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 实验介绍实验介绍 微处理器主要由两个主要部分微处理器主要由两个主要部分控制器和运算器组成。控制器和运算器组成。 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制制 器组成，它是发布命令的器组成，它是发布命令的“决策机构决策机构”，即完成协调和指挥整个计，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：算机系统的操作。控制器的主要功能有： （1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；

10、）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置； （2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；规定的动作； （3）指挥并控制）指挥并控制cpu、内存和输入、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。 运算器由算术逻辑单元（运算器由算术逻辑单元（a l u）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运

11、算器所进行的全部操作都是由控制接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。器发出的控制信号来指挥的。 5西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 实验介绍实验介绍 通过利用计算机组成原理实验系统的学习，还能使学生通过利用计算机组成原理实验系统的学习，还能使学生在在vhdl语言、

12、语言、eda软件工具和软件工具和 fpga的应用方面获得大的应用方面获得大量实用的技术。量实用的技术。 推荐选择用推荐选择用eda技术使用教程技术使用教程一书。一书。 6西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(1)1实验目的实验目的f1掌握简单运算器的数据传输通路。掌握简单运算器的数据传输

13、通路。 f2验证运算功能发生器的组合功能。验证运算功能发生器的组合功能。 f3掌握算术逻辑运算加、减、与的工作原理。掌握算术逻辑运算加、减、与的工作原理。 f4熟悉简单运算的数据传送通路。熟悉简单运算的数据传送通路。 f5验证实验台运算的验证实验台运算的8位加、减、与、直通功能。位加、减、与、直通功能。 f6按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。f7. 下载程序验证，验收时查看对下载程序验证，验收时查看对m=l时时f=a+b的结果。的结果。 a与与b的数字在两数码管中显示，的数字在两数码管中显示，f的值在发光二极管显的值在发光二极管显 示，示，a的

14、值可以先确定，键盘输入改变的值可以先确定，键盘输入改变b的值，发光二的值，发光二 极管的状态也变化！极管的状态也变化！ 7西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(2)2实验内容实验内容 1. 实验原理实验原理 74181运算器数据手册运算器数据手册 74181.pdf 8西安电子科技大学计

15、算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(3) 2. 实验参考步骤实验参考步骤 a.建立存放的文件夹，如建立存放的文件夹，如:d:alu b.建立工程文件，选器件选择建立工程文件，选器件选择 (在在family库中选库中选cyclone ii在在packge点点tqfp, 在在speed grade中选中选8

16、在在pin count选主芯片数选主芯片数144 选选ep2c5t144c8) c.打开打开quartusii，选，选filenewblock diagram/schematic file ok单击鼠标右键，点单击鼠标右键，点insert symobl 在在libraries库中选择需要的元件库中选择需要的元件(74181). d. 设计原理图连接关系设计原理图连接关系9西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院

17、- school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(4)原理图关键：原理图关键： 74181 的的aeqb引脚为引脚为a与与b输入的比较结果输出（高）输入的比较结果输出（高） cn4为进位输出，两片为进位输出，两片74181相连要低位的进位输出相连要低位的进位输出连接到高位片的进位输入连接到高位片的进位输入(cn) 10西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电

18、子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(5)西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(6)f二输入与门二输入与门 and 2f引脚名称输入时右击引脚，选属性，填入名称引脚名称输入时右击引脚

19、，选属性，填入名称!f输入用输入用 input(引脚向量的使用引脚向量的使用)f输出用输出用 outputf引脚的引出线要够长引脚的引出线要够长(用用ctrl+拖动拖动 复制管脚复制管脚)f顺序：建立工程顺序：建立工程-原理图原理图-编绎编绎-仿真仿真-下载下载12注意：引脚命名规则！西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, chi

20、na 运算器组成实验运算器组成实验(7)1374181的运算功能：西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(8)14实验任务：完成下面仿真结果，验收到实验的过程和结果，不能直接运算！用书写纸把表格抄下来，实验报告时要附在“实验仿真与测试”一栏。西安电子科技大学计算机学院 - school o

21、f computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(9)15s=1010且m=h，f=b的仿真结果图西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of

22、software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(10)三三下载设置下载设置 由于程序中输入输出端口较多，在下载时设置如下：由于程序中输入输出端口较多，在下载时设置如下： 两数码管显示两数码管显示a与与b，发光二极管显示，发光二极管显示f及及cn4和和eq。 其中其中a与与b取低取低4位，高位，高4位置为位置为gnd. a固定一个值，如为固定一个值，如为1100，b接接4个开关（注意顺序）个开关（注意顺序） f接接4位发光二极管（注意顺序），位发光二极管（注意顺序），cn4，eq也接上也接上 s0s3接拨码开关。接拨码开关。 m接低，接低，cn

23、接高（参考接高（参考181 的工作逻辑）的工作逻辑） 16西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(11) 下载原理图（部分引脚图下载原理图（部分引脚图) 17西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian u

24、niversity, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(10)四四 引脚分配图引脚分配图18西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实

25、验(11)5下载及测试下载及测试（注意只要勾上注意只要勾上program/configure既可，其它的都不要勾既可，其它的都不要勾)19西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 运算器组成实验运算器组成实验(12)6检查实验结果检查实验结果 按照前面设计的内容下载验证实验，只验证其中的一项既按照前面设计的内容下载验证实

26、验，只验证其中的一项既可，如可，如f=a+b等。等。20西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(1)实验目的：实验目的： 验证移位控制的组合功能验证移位控制的组合功能实验原理：实验原理： 用用vhdl语言编写一个带进位位的移位寄存器语言编写一个带进位位的移位寄存器21西安电子科技大学计算机学院

27、 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(2)实验步骤：实验步骤： （1） 用文本编辑器输入移位运算器文件用文本编辑器输入移位运算器文件sheft.vhd来实现来实现一个带进位移位寄存器，移位寄存器功能表（表一个带进位移位寄存器，移位寄存器功能表（表1-3），将），将编辑好文件进行编译和仿真。编辑好文件进行编译和仿真。（

28、2） 将仿真正确的将仿真正确的sheft.vhd封装成如图（图封装成如图（图1-2）的形式）的形式，并进行编译、仿真、引脚锁定、下载到实验板，验证（，并进行编译、仿真、引脚锁定、下载到实验板，验证（表表1-3）的功能。）的功能。22西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(3)s1 s0 m c

29、lk 功能功能0 0 任意任意任意任意 保持保持 0 1 0 循环左移循环左移 0 1 1 带进位循环左移带进位循环左移1 0 0 循环右移循环右移 1 0 1 带进位循环右移带进位循环右移1 1 任意任意 装数装数 233.移位运算器的功能表西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(4)4.

30、生成顶部封装图形生成顶部封装图形24说明：sheft 具有移位功能d7.0数据输入口q7.0数据输出口clk 时钟输入 s1 s0 m工作模式c0 进位位输入端cn 进位位输出端西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(5)5.vhdl源代码源代码 sheft.txt25西安电子科技大学计算机学

31、院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(6)仿真测试（先装数，再移动仿真测试（先装数，再移动) 26西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院-计算机组成与体系结构讲义西安电子科技大学软件学院 - school of software, xidian university, china 移位运算实验移位运算实验(7)下载验证，要求：下载验证，要求： qb接接led灯，灯，clk接按纽，接按纽，s1.。0接拨码开关接拨码开关 d7.。0初始化为初始化为0xf0，c0为为027西安电子科技大学计算机学院 - school of computer science & engineering, xidian university, china 软件学院