基于TD–CMA实验教学系统的模型计算机的设计与实现课程设计论文.doc

计算机组成原理课程设计计算机组成与结构课程设计说明书题 目： 模型计算机的设计与实现学生姓名： 学 号：学 院： 信息工程学院班 级： 计算机科学与技术10-1班组 别： 指导教师： 2012年 7 月 13 日 计算机组成与结构课程设计任务书一、设计题目基于tdcma实验教学系统的模型计算机的设计与实现二、设计目的计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。三、设计任务在西安唐都科教仪器公司研发、生产的 tdcma 实验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备。要求学生自己定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法。在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。四、实验设备和环境实验设备：1计算机组成原理与系统结构实验箱 1台2pc机 1台软件环境：1 操作系统： windows xp2 cma（实验箱配套软件）3 quartusii4.2五、设计内容和要求根据设计任务的要求，结合时间进度安排和考核方面的因素，将本次设计内容分为五个部分，各部分的具体设计内容和要求如下：第一部分 模型计算机设计方案的制定设计内容：1设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器、简单输入输出设备、时序和启停等电路；2画出系统组成框图，指出各个部分的功能和实现途径；3针对所设计的模型机系统，每组学生自己定义一套简单的指令系统，给出助记符指令格式，分配指令的机器代码，指出指令的功能；4写出设计方案。设计要求：1所设计的模型计算机系统为8位模型机，运算器为8位运算器，数据总线和地址总线都为8位，输入设备为8位开关，输出设备为8位发光二级管指示灯；2每组定义的指令系统为6至10条指令，必须包含本组运算器特有运算功能的指令，每组必须有两条以上指令与其他组不同；3每组提交设计方案，包括简单模型机的结构框图、指令系统、第二部分 运算器的设计与调试设计内容：1.自定义运算器的功能；2.使用tdcma 实验教学系统提供的大规模可编程逻辑器件 cpld（emp1270），根据指令功能选择（确定）相应的算逻运算，用原理图输入或vhdl硬件描述语言方法进行设计，在quartusii软件中建立工程文件，实现相应功能；3.在“计算机组成原理与结构实验系统”上调试和完成运算器的设计工作； 设计要求：1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2了解vhdl、hdl语言；3. 了解quartusii软件环境；4. 实现自定义运算器；5. 提交在quartusii软件中建立的工程文件；第三部分 微程序控制器的设计与调试设计内容：1编写出实现自定义指令系统的微程序；2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3在tdcma 实验教学系统平台上调试和完成微程序控制器的设计工作；设计要求：1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号；4每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并记录相关实验结果；5. 提交微程序流程图、对应的二进制微代码表。第四部分 整机调试设计内容：1全面深刻地分析西安唐都科教仪器公司的 tdcma 实验教学系统的组成与结构，为设计模型计算机系统作准备；2 在tdcma 实验教学系统平台下完成程序的写入、运行、调试。3. 连线搭建实现一个简单的模型计算机，包括cpu，存储器，输入设备和输出设备。其中cpu 由运算器（使用大规模可编程逻辑器件 cpld设计实现）、微程序控制器（mc）、通用寄存器，指令寄存器（ir）、程序计数器（pc）和地址寄存器（ar）组成。5.调试并实现简单模型计算机的功能。设计要求：1 提交简单模型机的接线图。第五部分 设计报告的撰写和答辩验收设计内容：1在完成以上模型计算机系统的实验测试内容后，修改和完善设计方案和所画的电路原理图；2准备好自己搭建的模型机系统平台和相关的实验测试数据，接受指导教师的答辩验收工作；3每个学生写出一份完整的设计报告。设计要求：1对所设计的模型机系统进行全面总结，完善设计内容；2在接受指导教师的答辩验收前，做好充分准备工作，包括平台准备，程序的输入，相关的测试数据整理等；3每个学生自己独立写出一份设计报告，设计报告必须计算机打印，要求设计方案和指导思想正确，格式规范，内容全面，叙述清楚，分析和总结合理。六、时间安排：设计内容时间第一部分 模型计算机设计方案的制定1天第二部分 运算器的设计与调试3天第三部分 微程序控制器的设计与调试3天第四部分 整机调试1天第五部分 设计报告的撰写和答辩验收2天七、考核方式考查，最终成绩包括设计报告(30%)、平时成绩(30%)、答辩验收(40%)，课程最终成绩按照优、良、中、及格和不及格五分制评分。八、参考资料1 王爱英主编. 计算机组成与结构（第四版）. 北京：清华大学出版社，20072 cma用户手册；3 cma组成原理与系统结构摘要计算机组成综合设计是计算机科学与技术专业本科生的一门重要的设计性课程。通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与系统结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为将来进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。本次课程设计一个8位模型计算机系统，包括用可编程器件实现的运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备,时序和启停控制等电路。自定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法。 在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成微程序控制器的实验调试过程，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。关键字：指令系统、运算器、控制器abstractcomputer integrated design is computer science and technology undergraduate is an important design course. through the design of a table model computer, enable students to better understand the computer components and system structure of the basic content of courses, master of computer design and implementation of the basic method, training students experiment ability and sense of innovation, for the future of computer application system design and development foundation. this course is designed to a8 model computer systems, including the use of programmable devices for computing device, a micro program controller, memory, input / output interface and simple equipment, timing and start-stop control circuit. the custom of a simple command system, making system design and implementation method. in principles of computer organization and system structure of experiment system built on the model of the computer system, complete the micro program controller experimental processes, and the use of design instruction system for the preparation of a simple function of the program, in building a model system input, commissioning and operation procedures.keywords: instruction system, operator, controller 目录第一章 设计任务与要求11、1设计题目11、2 设计目的11、3设计任务11、4实验设备和环境11、5设计内容和要求2第二章 设计方案22、1设计功能32、11模型机系统组成框图及说明32、2设计思路42、3指令系统42、3使用到哪些芯片及各个芯片的作用42.31使用74273芯片（如图所示）42.32 74244芯片5第三章 硬件设计53、1芯片的总线连接线路图和说明63.2运算器的设计原理图73、21加法运算器73、22乘运算83、23乘加运算8与乘法与加法相同。83、22减运算9第四章 软件设计94、1模块流程图104、2源程序清单与注释10第五章 调试过程125、1硬件连线135、2实验步骤135、21制定模型机设计方案135、22模型机系统总体框图145、3出现的问题165、4解决的方法175、5使用的实验数据17第六章 总结176、1课程设计过程中的总结176、3体会与收获18参考文献19 第一章 设计任务与要求1、1设计题目基于tdcma实验教学系统的模型计算机的设计与实现1、2 设计目的计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。1、3设计任务在西安唐都科教仪器公司研发、生产的 tdcma 实验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入输出接口和设备,时序和启停控制等电路。要求学生自己定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法，画出所设计的模型机系统的电路原理图。在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。1、4实验设备和环境实验设备：1计算机组成原理与系统结构实验箱 1台2pc机 1台软件环境： 4 操作系统：windows2000/windows xp5 cma（实验箱配套软件）6 quartusii4.21、5设计内容和要求根据设计任务的要求，结合时间进度安排和考核方面的因素，将本次设计内容分为五个部分，各部分的具体设计内容和要求如下：第二章 设计方案1设计内容：1设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器、简单输入输出设备、时序和启停等电路；2画出系统组成框图，指出各个部分的功能和实现途径；3针对所设计的模型机系统，每组学生自己定义一套简单的指令系统，给出助记符指令格式，分配指令的机器代码，指出指令的功能；4写出设计方案。2设计要求：1所设计的模型计算机系统为8位模型机，运算器为8位运算器，数据总线和地址总线都为8位，输入设备为8位开关，输出设备为8位发光二级管指示灯；2每组定义的指令系统为6至10条指令，必须包含本组运算器特有运算功能的指令，每组必须有两条以上指令与其他组不同；3每组制定一份设计方案。2、1设计功能2、11模型机系统组成框图及说明(1) 制定模型计算机系统的设计方案c图(2)框图部件概述:运算器alu:对数据进行运算 微程序控制器：控制微程序的执行通用寄存器：储存输入数据 指令寄存器：存储执行指令程序计数器：用来存放下一条指令的地址的 地址寄存器：存放地址2、2设计思路实现两个数的加法运算与两个数的与运算。将一个数输入存储到r0中，将另一个数存入到寄存器r1中，再将两个寄存器中的数据分别放入到a b两个暂存器中，后实现两个数据的相加，并将结果存入到r0中，将其取反后再于r1中的数据进行与运算，将其存入到r0中，然后输出这个数据。 2、3指令系统表指令格式指令操作码及二进制代码功能备注in0 r0;in00001 0000(10h)输入数据到r0;in1 r1;in10010 0000 (20h)输入数据到r1;in1 r2;in20011 0000 (30h)输入数据到r2;add r0，r1，r2;add0100 0000（40h）（r0）与（r1）与r3相加结果送r0mul4 r0，r1;mul40101 0000（50h）（r0低4位）与（r1低4位）相乘结果送r0mad r0，r1，r2;mad0110 0000（60h）（r0低4位）与（r1低4位）相乘再与r2相加结果送r0sub r0，r1;sub0111 0000（70h）r0与r1相减结果送r0out0 r0;out01000 0000（80h）（r0）输出到ledout1 r1;out11001 0000（90h）（r1）输出到ledout r2out21010 0000（a0h）（r2）输出到led2、3使用到哪些芯片及各个芯片的作用2.31使用74273芯片（如图所示）图作用：74373实现数据的存储，2.32 74244芯片图74244实现数据存储及三态控制。第三章 硬件设计1设计内容：1.自定义运算器的功能；2.使用tdcma 实验教学系统提供的大规模可编程逻辑器件 cpld（emp1270），根据指令功能选择（确定）相应的算逻运算，用原理图输入或vhdl硬件描述语言方法进行设计，在quartusii软件中建立工程文件，实现相应功能；3.实现该运算器使用vhdl或hdl语言，4.在“计算机组成原理与结构实验系统”上调试和完成运算器的设计工作； 2设计要求：1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2了解vhdl、hdl语言；3. 了解quartusii软件环境；4. 实现自定义运算器3、1芯片的总线连接线路图和说明原理图 图实现寄存器的功能图实现暂存器的功能3.2运算器的设计原理图3、21加法运算器半加器设计图图由半加器实现全加器图加法器芯片3、22乘运算图3、23乘加运算与乘法与加法相同。3、22减运算图第四章 软件设计1设计内容：1全面深刻地分析西安唐都科教仪器公司的 tdcma 实验教学系统的组成与结构，为设计模型计算机系统作准备；2 在tdcma 实验教学系统平台下完成指令写入及程序的运行和调试。3. 连线搭建实现一个简单的模型计算机，包括cpu，存储器，输入设备和输出设备。其中cpu 由运算器（使用大规模可编程逻辑器件 cpld设计实现）、微程序控制器（mc）、通用寄存器，指令寄存器（ir）、程序计数器（pc）和地址寄存器（ar）组成。5.调试并实现简单模型计算机的功能。2设计要求：1为了搭建模型机实验平台进行调试和实验做准备，所设计的模型计算机系统应借鉴计算机组成原理与系统结构实验系统的结构；2画出使用quartusii软件设计好的运算器的接线图。3. 画出简单模型机的结构框图；4. 画出简单模型机微程序流程图及对应的二进制微代码表。5. 画出简单模型计算机的接线图。4、1模块流程图图4、2源程序清单与注释; /* start of main memory data */$p 00 10$p 01 20$p 02 30$p 03 40$p 04 80$p 05 10$p 06 20$p 07 30$p 08 50$p 09 80$p 0a 10$p 0b 20$p 0c 30$p 0d 60$p 0e 80$p 0f 10$p 10 20$p 11 30$p 12 70$p 13 80; /* end of main memory data */; /* start of microcontroller data */$m 00 000001$m 01 006d43$m 03 107070$m 04 0006c5$m 05 000906$m 06 019201$m 07 0006c8$m 08 009201$m 09 0006ca$m 0a 00090b$m 0b 011201$m 0c 0006cd$m 0d 001201$m 31 181001$m 32 182001$m 33 183001$m 34 000484$m 35 000487$m 36 000489$m 37 00048c$m 38 280401$m 39 280601$m 3a 280801; /* end of microcontroller data */第五章 调试过程1设计内容：1编写出实现自定义指令系统的微程序；2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3在tdcma 实验教学系统平台上调试和完成微程序控制器的设计工作；2设计要求：1认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项； 2将所编写的微程序存储到控制存储器中；3用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号；4每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并纪录相关实验结果；5实现微程序功能后经指导老师审核验收。5、1硬件连线图5、2实验步骤5、21制定模型机设计方案（1）根据任务书要求，画出系统框图，设计模型及功能及模块流程图。（2）根据设计思路，使用quartos ii将运算器以及寄存器、暂存器等芯片做好，进行运行调试，检查是否正确。（3）根据框图写出微指令。（4）将运算电路导入实验箱，进行验证。（5）验证运算电路无误后，将为程序和主存输入实验箱。（6）输入数据进行验证各个功能。5、22模型机系统总体框图c图1、各部部分的功能和实现途径（1）ldpc 微程序控制器输出的pc加1信号。（2）load 微程序控制器的输出信号。load0时，pc程序计数器处于并行置数状态；load1时，pc处于计数状态。（3）alubus 微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否送到总线bus，低电平有效。（4）pcbus 微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的内容是否送到总线bus，低电平有效。（5）r0bus 微程序控制器的输出信号，控制寄存器r0的内容是否送到总线bus，低电平有效。（6）swbus 微程序控制器的输出信号，控制8位数据开关sw7sw0的开关量是否送到总线，低电平有效。（7）ldr0 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入寄存器r0。（8）lddr1 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器dr1。（9）lddr2 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器dr2。（10）ldir 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据（指令）输入到指令寄存器ir中。2、指令系统表指令格式指令操作码及二进制代码功能备注in0 r0;in00001 0000(10h)输入数据到r0;in1 r1;in10010 0000 (20h)输入数据到r1;in1 r2;in20011 0000 (30h)输入数据到r2;add r0，r1，r2;add0100 0000（40h）（r0）与（r1）与r3相加结果送r0mul4 r0，r1;mul40101 0000（50h）（r0低4位）与（r1低4位）相乘结果送r0mad r0，r1，r2;mad0110 0000（60h）（r0低4位）与（r1低4位）相乘再与r2相加结果送r0sub r0，r1;sub0111 0000（70h）r0与r1相减结果送r0out0 r0;out01000 0000（80h）（r0）输出到ledout1 r1;out11001 0000（90h）（r1）输出到ledout r2out21010 0000（a0h）（r2）输出到led3、存储器操作起始地址从00开始表地址十六进制表示高五位s3-s0a 字段b 字段c 字段ua5-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、3出现的问题（1）前期出现的问题，根据课程设计任务要求，不能很清楚的写出微指令与模型机结构框图。（2）在编译运算器时开始总编译不通过，出现错误，在引脚分配上也有名称重复的现象。（3）验证运算器的正确性时，电脑出现一些问题，数据无法传入cma实验箱中。再微程序试验中，编写微指令。将写好的微指令存入cma实验箱中，按连接图连接线路，去无法正常显示。（4）实验箱接线总是出问题导致一些功能的实现出现问题。（5）在编写微程序时我们用了三个寄存器还有三个暂存器在分配引脚时出现a字段不够的情况。5、4解决的方法本次计算机组成原理课程设计中遇到许多问题，自己小组讨论，和其他小组讨论，问老师及同学最后得到解决。（1） 通过自己查资料，问老师同学实现指令的确定及编写，在董老师给我们做了细致的讲解之后我们画出了模型机结构框图。（2） 通过更改引脚分配，修改了一些重复的连接线后编译通过。（3） 与老师交流了一下更换了一台主机。（4） 把线全部拔掉重新连接或在另一台实验箱上重新连线。（5） 通过自己思考在运算器部分将lda，ldb，ldc取反然后将a字段引脚分配到c字段上实现。5、5使用的实验数据加法：a：1 b：2 c：3 执行结果：6乘法：执行结果：乘加：a：1 b：2 c：3 执行结果：减：a： b：执行结果：第六章 总结6、1课程设计过程中的总结在两周的课设中，开始我对这次的内容一点都不懂，如开始时老师让先机器指令都不明白它是干什么的但经过自己查阅资料及听老师讲解和队友讨论，将其弄懂了，当实验进行到第二部是老师让用quartus two 软件但我们对它一