组成原理实验指导书20121112.doc

计算机组成与系统结构实验指导书邹红文2012. 2目 录实验一 QUARTUS II 软件入门1实验二 组合电路8实验三 寄存器17实验四 控制信号发生器20实验五 乘法器25实验六 存储电路27实验七 运算器31实验八 微控制器（1）33实验九 微控制器（2）3742实验一 QUARTUS II 软件入门一、实验目的表1 QUARTUSII中几种常用门电路的名称及其逻辑符号与门或门非门与非门或非门异或门AND2OR2NOTNAND2NOR2XORAND3OR3NAND3NOR3学习QUARTUSII的使用方法：建立原理图文件、工程文件、波形图文件以及仿真；掌握波形分析方法。学习QUARTUSII几种常用门电路的符号、逻辑功能。二、实验内容1. 以“与门”为例，练习仿真软件的使用步骤。2. 验证加法器74283的逻辑功能。3. 设计选择器。三、实验步骤1建立文件夹，用于存放所有的实验内容。文件夹名称为你的学号，例如：B0511。2在文件夹“B0511”中建立文件夹“实验一”，存放实验一的内容。再建立子文件夹“与门”。请特别注意：“与门”这个文件夹在下面第6步保存波形图文件时还要用到！图2 新建原理图文件图1 与门逻辑电路图3按照图1建立原理图文件ym2.bdf（不区分大小写！）选菜单FILENEW，进入图2，选Block Diagram ,系统自动打开一个空白设计页面。点工具 ， 打开图3。在图3中，选择primitiveslogicand2，单击OK。然后在图4中单击左键，把与门and2放置到设计页面中。 击右键，选择Cancel,结束与门的放置，见图4。图3 选择2输入与门 图4 取消与门的放置添加输入输出引脚，更改引脚名称，连线。在图3中选primitivespininput，单击OK ，然后在原理图中放置2个input。在图3中选primitivespin output，单击OK ，然后在原理图中放置1个output。双击引脚，在系统对话框Pin Properties（引脚属性，如图5所示）中分别输入新引脚名A（B、Y）之后，单击“确定”。最后的电路图如图1所示。图5 修改引脚的名称把原理图文件保存到保存到第2步建立的文件夹“与门”中：选择菜单项“保存”，输入文件名ym2，系统加的后缀bdf不变。图6 询问是否为原理图文件建立工程4建立工程（Project）文件(ym2.qpf) 第步完成之后，系统弹出对话框图6，询问是否为原理图文件建立工程，选“是”，系统接着弹出“New Project Wizard” 对话框，如图7所示，在该对话框系统自动建立工程文件名ym2和实体名ym2。选Finish，完成工程的建立。图7 系统自动设置工程名ym2和实体名ym2 图9 建立波形文件5编译工程点击编译工具 ，编译成功后系统显示图8。 图8 系统给出编译成功信息6建立波形文件 选菜单FILENEW，进入图9，选Other filesVector Waveform File，单击“保存”，然后输入文件名ym2，（后缀vwf系统自动添加）。请特别注意：系统自动保存到第2步建立的文件夹“与门 ”中，请不要更改路径！图10 插入结点或总线7修改系统默认仿真终止时间（可以跳过本步骤）选菜单EditEnd Time ，系统默认时间是1US（微秒），改为400ns。8在波形图中添加结点选菜单EditInsert Node or Bus ，打开图10，单击Node Finder，进入图11。按照图11，把 Filter 设置为Pins:all， Lock in 设置为 ym2（一般是默认当前打开的波形文件名，也可以击浏览按钮，自行选择文件）。点按钮list，系统在图11中列出结点名称，把结点移到右边，单击OK。图11 选择所需结点 图12 设置周期性输入信号的输入值设置周期设置范围9在波形图中设置输入结点的值点击变量名称，选中一个变量（变为蓝色表示选中），然后点工具 ，打开图12。图12的功能：设置周期性输入信号的输入值。在图的上部设置输入信号的持续时间范围（Time range），本例范围是0-400ns。下部设置输入信号的周期和占空比，本例信号变化周期80ns，占空比50%。按照图13设置输入信号AB的波形在波形图中。选A，打开图12，输入80ns，占空比50%。在波形图中选B，打开图12，输入160ns，占空比50%。修改波形图的显示比例。单击 之后，把鼠标放到波形图的时间标尺上(如图13所示)，击右键缩小图形，击左键放大图形。图13 设置输入信号AB的波形bcad时间标尺10仿真并分析波形选菜单Processing Simulator Tool，打开图14。按图14设置Simulation Mode 为Functional ，即设置仿真模式为功能仿真。系统在Simulation Input中自动显示当前打开的波形文件(ym2.vwf)，也可自行定位文件的位置。点击 Generate Functional Simulation Netlist按钮。第步成功后，先点击Start按钮，成功后再点击 Report按钮，显示仿真波形图，请大家分析波形。图14 设置仿真模式为功能仿真图 15 加法器283的逻辑电路图11验证加法器74283的逻辑功能。在文件夹“实验一”中建立文件夹“加法器”。按照图15建立原理图文件jfq283.bdf。总线的命名和连线：先在input上修改名称，然后再和芯片连线。总线的命名方法：例如总线A的命名： A4.1，用方括号 ，数字之间的圆点用西文的圆点！连线之后，单击每条单线，然后输入单线的名字，例如，A1。把所有的单线全部命名。（不区分大小写！）保存原理图文件到文件夹“加法器”中，然后建立工程文件。编译。按照图16建立波形图文件，保存。系统自动保存到第步建立的文件夹“加法器”中，请不要更改路径！设置波形的输入值。先把End time 设置为 2.56 us。然后设置输入波形。总线的赋值：选中A，点击工具“Cout value”，把选项卡“Timing”中的“Count every”设置为160ns。选中B，点击工具“Cout value”，把选项卡“Timing”中的“Count every”设置为10ns。仿真并分析结果。图 16 加法器283的波形12. 设计选择器在文件夹“实验一”中建立文件夹“选择器”。按照图17建立原理图文件。保存原理图文件到文件夹“选择器”中，文件名为“xzq6w”（不要用其它名称，因为在实验五要用这个名称）。然后建立工程文件。编译。图 17 选择器逻辑电路图建立波形图文件，保存。系统自动保存到第步建立的文件夹“选择器”中，请不要更改路径！该选择器的功能：A、B是数据输入端，S是选择器控制端，Q是数据输出端。S=1时Q=A；S=0时 Q=B。仿真并分析结果。实验二 组合电路一、实验目的学习选择器和三态门的定制和应用方法以及逻辑电路的封装方法。二、实验内容1设计总线宽度为8的四选一数据选择器。2设计总线宽度为8的三态门。3设计8位加法器并封装。三、实验步骤1. 设计总线宽度为8的四选一数据选择器。图1 定制选择器在文件夹“实验二”中建立文件夹“选择器”。新建原理图文件,放置一个“input”后保存到文件夹“选择器”（文件名xzq）。 建立工程。单击工具 ，在“name”下输入“lpm_ mux”，单击“OK”（见图1）。进入图2。在图2中的操作：首先选中“VHDL”；然后单击“Browse”按钮，找到文件夹b0511实验二选择器；最后单击“next”按钮。进入图3。在图3中把制选择器的输入端个数定义为4，每个输入端的宽度定义为8。在图3中单击“next”按钮，进入下一页，再单击“next”按钮，进入图4。图2 选择VHDL 和路径图3 定制选择器的输入端个数和每个输入端的宽度图4 定制选择器完成在lpm_mux0.bsf前面打钩图5 定制的选择器在图4中先在lpm_mux0.bsf之前打钩，然后单击“Finish”按钮，把完成的选择器放到原理图中，为此选择器加上输入输出引脚，见图5。保存到文件夹“选择器”中。建立工程文件后在工程中添加选择器的系统文件选择菜单：Project Add / Remove File in project ，打开图6，单击图6 中“Add ALL”按钮，再单击图6 中“ok”按钮。然后编译。图6 在工程中添加选择器的系统文件建立波形图文件，保存到文件夹“选择器”。在图7中选择要设置属性的信号，然后选择端口名称，单击鼠标右键，先选择“properties”，再选择“无符号”显示属性。图7 设置选择器端口的显示属性设置输入端口信号的值：选择端口S，然后单击工具 ，打开对话框如图8所示。在对话框如上部输入时间段（20ns30ns），在下部输入数值。其它输入端口值设置方法相同。图9是仿真波形图。图8 设置输入信号在一个时间段的输入值图9选择器的仿真波形图图10 定制三态门2. 设计三态门在文件夹“实验二”中建立文件夹“三态门”。新建原理图文件,放置一个“input”后保存到文件夹“三态门”。 建立工程。按照图10到图13的步骤定制三态门。图11 设置路径图12 单向三态门，宽度是8位图13 结束定制步骤按照图14连线，保存。B是控制端，高电平有效。a、f分别是数据输入输出端。按照图15把系统文件加到工程中。按照图16设计波形文件并仿真。图14 三态门原理图图15 把系统文件加到工程中图16 三态门仿真波形3设计8位加法器并封装在文件夹“实验二”中建立文件夹“8位加法器”。按照图17新建原理图文件,保存到文件夹“8位加法器”，文件名为“fadd8”（不要用其它名称，因为在实验七要用这个名称）。图17中8位加法器功能是：s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7=a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 + b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 +cin对原理图编译成功后建立波形图并仿真。生成符号图打开原理图，按照图18选择菜单：fileCreate / Update Create Symble File，即可生成符号图文件fadd8.bsf，并自动保存到当前工程中。图17 8位加法器逻辑电路图 三态门仿真波形图18 选择生成符号菜单项新建原理图文件，按照图19找到FADDB8，单击“ok”。图19 选择生成的符号FADD8把FADD8放到原理图中，在符号上单击右键，如图20所示，选择“edit select symbol”，把引脚修改为图20右边的符号。保存，文件名JIAFAQI。图20 修改符号图的引脚位置实验三 寄存器一、实验目的学习寄存器74171和移位寄存器74194。二、实验内容1. 设计8位寄存器。2. 设计8位移位寄存器。三、实验步骤1. 设计8位寄存器在“实验三”中建立文件夹“寄存器”。 新建空白原理图文件。单击工具 ，在“name”下输入 “74171”，单击“OK”，见图7。放置2个74171后，按照图7连线，保存到文件夹“寄存器”，文件名为“reg8b”（不要用其它名称，因为在其它实验要用这个名称）。 建立工程。编译。仿真。图7所示是8位寄存器，Clrn是清0端，d7d0是数据输入端，q7q0数据输出端。Clk是脉冲输入信号。引脚功能：Clrn=0 输出端q7q0被清0。Clrn=1时，在clk上升沿，输出端q接收对应输入端d的值。 仿真波形如图8所示。图88位寄存器仿真波形图78位寄存器逻辑电路图2. 设计8位移位寄存器在“实验三”中建立文件夹“移位寄存器”。 新建空白原理图文件。单击工具 ，在“name”下输入 “74194”，单击“OK”。放置2个74194后，按照图9 连线，保存到文件夹“移位寄存器”，文件名为“shift8”（不要用其它名称，因为在实验七要用这个名称）。 建立工程。图9所示移位寄存器引脚功能：abcdefgh：8位数据并入端。srsi：右移外部数据输入端。clrn：清0控制信号输入端。低电平有效。clk：时钟输入端。上升沿有有效。qa qb qc qd qe qf qg qh：数据输出端。S1：并入数据和移位控制端，S1=1 并入，S1=0移位。图98位移位寄存器逻辑电路图图10是移位寄存器仿真波形。 10ns之前：Clrn=1同时s1=1时，在clk上升沿，并入abcdefgh的值。输出端q接收对应输入端的值。10ns20ns：Clrn=1同时s1=0时，在clk上升沿移位。移位方向：srsiqaqbqcqdqeqfqgqh20ns之后：Clrn=0 输出端被清0。图108位移位寄存器仿真波形图实验四 控制信号发生器一、实验目的学习信号发生器和运算器的VHDL程序设计方法。二、实验内容1.设计“原码一位乘法器”的信号发生器。2.设计16功能的运算器。三、实验步骤1乘法器原理图1是“原码一位乘法”的“移位- 加”算法流程图，其中X、Y是用原码表示的乘数和被乘数，即X=X0X1X2X3X4 , Y=Y0Y1Y2Y3Y4 ,X0、Y0是符号位。F是部分积。“移位- 加”算法流程包括四个步骤：步骤1：使部分积寄存器F清0，乘数、被乘数的小数部分的值寄存到相应的寄存器Y和X中。乘数、被乘数的符号位X0、Y0不参加“移位- 加”运算。步骤2：根据乘数寄存器Y最低位的值，决定加数是0或X：Y4=1时执行F+X，把结果保存到移位寄存器中；Y4=0时执行F+0，把结果保存到移位寄存器中。步骤3：执行移位操作：“和”与寄存器Y一起右移一位。步骤4：保存移位后的数值。第2步到第4步重复执行4次即完成了定点小数X 、Y的小数部分相乘。而乘积的符号位用2个数符异或运算完成，即SF= X0Y0 。图1 原码一位乘法器流程图2.原码一位乘法器原理框图图2是原码一位乘法器原理框图，包括通用寄存器F和X、选择器、加法器和移位寄存器SHIFT以及移位寄存器Y。两个通用寄存器由集成电路74171组成，分别用于保存部分积和数据A，CLRF是部分积寄存器的清0信号，低电平有效。CLKFX是通用寄存器的时钟信号，上升沿时完成输入数据的寄存操作。2选1数据选择器完成加数的选择，控制端S的值决定加法器的一个数据输入端是被乘数A或者数据0。移位寄存器SHIFT和移位寄存器Y由集成电路74194构成。控制信号S1SHIFT=0时，移位寄存器SHIFT执行移位操作；S1SHIFT=1时，移位寄存器SHIFT执行写入操作；CLKSHIFT是时钟信号，上升沿完成移位或写入操作；控制信号S1Y=0时，移位寄存器Y执行移位操作；S1Y=1时，移位寄存器Y执行并入操作；CLKY是时钟信号，上升沿移位寄存器Y完成移位或写入操作。图2 原码一位乘法器框图图3是由图2分析得出的原码一位乘法器完成一次乘法运算所需的控制信号。图3 乘法器的控制信号波形图图3中控制信号的作用如下：clrF=0把部分积寄存器F清0。clkY上升沿把Y并入寄存器Y。clrF=1、clkFX上升沿把F0_F5并入寄存器F，把clkFX上升沿X并入寄存器X。S=1时F0_F5+X，S=0时F0_F5+000000 。控制端S=Y4。s1SHIFT=1、clkSHIFT上升沿把“和”并入shift8。s1SHIFT=0、clkSHIFT上升沿，clkY上升沿把2个移位寄存器一起移位。第步到第步重复4次即可完成一次乘法运算。3.“原码一位乘法器”信号发生器VHDL代码根据图3设计的原码一位乘法器信号发生器的VHDL代码如下：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity consignal is Port ( Clk : in std_logic; clrF,clkFX,clkY,s1SHIFT8,clkSHIFT8: out std_logic); end ;architecture Behavioral of consignal is type state is (ini,add,LOADSUM,nullall,shift); signal Current_State:state; signal Count : std_logic_vector(4 downto 0); signal temp : std_logic_vector(4 downto 0); signal Clken,clkout : std_logic:=1;beginclock :clkout=Clken and clk;p1: process(Clkout)begin if(rising_edge(clkout)then Count = Count + 1; if(Count 18)then clrF=temp(4);clkFX=temp(3);clkY=temp(2);s1SHIFT8=temp(1);clkSHIFT8=temp(0);else Clken=0;clkFX=0;clkY=0; clkSHIFT8 temp=00100; Current_State temp=11010; Current_State temp=10011; Current_State temp=10000; Current_State temp=10101; Current_State null; end case; end if;end process;end Behavioral;4.VHDL代码仿真步骤在“实验四”文件夹建立文件夹“控制信号发生器”。新建“ VHDL FILE”；输入代码；保存到“控制信号发生器”文件夹。注意 文件名必须是“ENTITY” 后面的标识符，本例代码的文件名是consignal。编译、仿真步骤与原理图的步骤相同。5.设计16功能的运算器新建VHDL文件，把下述代码复制后保存到文件夹“实验四”的“运算器”文件夹中，本例代码的文件名是ALU。建立工程，编译。仿真。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;ENTITY ALU ISPORT(A,B:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SEL:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); Y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ALU;ARCHITECTURE behav OF ALU ISSIGNAL ARITH,LOGIC: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGIN-ARITHMETIC UNIT-WITH SEL (2 DOWNTO 0) SELECTARITH= a when 000,a+1 when 001, a-1 when 010, b when 011, b+1 when 100, b-1 when 101, ALU功能表Sel3.0功能0000a0001a+10010a-10011b0100b+10101b-10110a+b0111a-b1000not a1001not b1010a and b1011a or b1100a nand b1101a nor b1110a xor b1111not(a xor b)a+b when 110, a-b when others;-logic unit-WITH SEL (2 DOWNTO 0) SELECTlogic= not a when 000,not b when 001, a and b when 010, a or b when 011, a nand b when 100, a nor b when 101, a xor b when 110, not (a xor b) when others;-mux-WITH SEL (3) SELECTy=logic when 1, arith when others;END behav;请大家对照上表和图4说明alu的功能。图4 ALU仿真波形实验五 乘法器一、实验目的学习原码1位乘法器的设计方法。二、实验内容按照图1设计原码1位乘法器。设X=X0X1X2X3X4 , Y=Y0Y1Y2Y3Y4 , X0、Y0是符号位。图1的功能是F=X*Y，即F=（00 X1X2X3X4）* （00 Y1Y2Y3Y4）。乘积的符号为两个数符号位X0、Y0异或运算值。三、实验步骤建立文件夹“实验五”。 把以下5个文件复制到文件夹“实验五”。实验一xzq6w.bdf、实验二fadd8.bdf、实验三reg8b.bdf和shift8.bdf、实验四consignal.Vhd。新建空白原理图文件，放置一个输入引脚后保存到文件夹“实验五”，文件名为TOP.BDF。建立工程。把所有文件加到当前工程中：选择菜单Project Add/Remove Files In Project ，点击按钮“Add All” 。图1 原码一位乘法器逻辑电路图设置顶层实体：打开TOP.BDF，选择菜单Project Set As Top-Level Entity。按照p14生成符号图的步骤把第1步复制的5个文件全部生成符号图。点击“project”前面的+号，选择所需符号放到原理图TOP.BDF中。按照图1连线后保存，编译、仿真。图2 原码一位乘法器仿真波形仿真波形分析图2是 原码一位乘法器仿真波形，其中x= 0.1101，y= 0.1011。F=X*Y= 00.10001111。乘积符号SF= 00=0，所以，X*Y= + 0. 10001111。用原码一位乘计算x*y的步骤如下表所示，请大家对照表格和波形图说明控制信号的作用。用原码一位乘计算x*y的步骤 部分积乘数移出的数据00 0000+x 00 1101101100 1101右移一位 00 0110+x 00 11011 101101 0011右移一位 00 1001+0 00 000011 10100 1001右移一位 00 0100+x 00 1101111 1001 0001右移一位 00 100011111乘积高位乘积低位思考题：设x = - 0.1101，y = 0.1011。请画出仿真波形。实验六 存储电路一、实验目的学习寄存器组设计方法和选择器定制方法。二、实验内容设计寄存器组。三、实验步骤在文件夹“实验六”，建立文件夹“寄存器组”。把实验三的文件REG8B.bdf复制到本文件夹。新建空白原理图文件，放置一个input，保存到文件夹“寄存器组”，文件名是REG4X8.bdf。 建立工程。定制“8位四选一选择器”。单击工具 ，展开图5左上方的树形视图，找到lpm_mux(或直接在name后输入lpm_mux)，然后单击按钮“ok”。图5 定制选择器在图6中选择VHDL，单击NEXT。在图7中设置选择器的输入端个数为4，数据线宽度为8，单击NEXT。在接下来的2个图中单击NEXT，单击FINISH。然后把定制的选择器放到文件REG4X8.bdf。图6 设定选择器的文件图7 设计选择器的输入端数和数据宽度选择菜单：Project Add/remove File in project，单击“Add All”按钮，把所需文件加到工程中，单击“ok”按钮。打开REG8B.bdf，按照14页生成符号图的步骤生成符号图文件REG8B.bsf。按照图8设计寄存器组，保存，文件名是REG4X8.bdf。选择菜单Project中的 Set as Top-Level Entity项目，把该原理图文件REG4X8.bdf设为工程的顶层实体。编译。仿真。寄存器组引脚功能：寄存器读写操作为：G=1时 CLK上升沿写入数据；G =0 读出，与CLK无关。S1.0是寄存器单元地址：0、1、2、3。D7.0和Y7.0分别是数据输入和输出端。图8 寄存器组逻辑电路图图9 寄存器组仿真波形图9是寄存器组仿真波形。其中：40ns之前：G=1时在CLK上升沿往0/1/2/3单元写入数据。5080ns：G=0，从0/1/2/3单元读出。读出操作与CLK无关。图10是设计数据显示格式为16进制形式。图10 设置仿真波形显示形式实验七 运算器一、实验目的学习运算器的设计方法和数据通路中控制信号的作用。二、实验内容设计运算器数据通路。三、实验步骤图1是运算器及数据通路图。按照下述步骤设计该数据通路。图1 运算器及数据通路、建立文件夹“实验七”。 把以下7个文件复制到文件夹“实验七”：实验二的三态门：lpm_bustrio.vhd、lpm_bustrio.bsf。实验四的源代码：alu.vhd。实验六的寄存器：reg4x8.bdf、reg8b.bdf。实验六的选择器：lpm_muxo.vhd、lpm_muxo.bsf。新建空白原理图文件，放置一个输入引脚后保存到文件夹“实验七”。建立工程。按照p14生成符号图的步骤把第3步复制的alu.vhd、reg4x8.bdf生成符号图。点击“project”前面的+号，选择所需符号放到第3步建立的原理图中。按照图1连线后保存，编译、仿真。图2是仿真波形图。图2 运算器电路仿真波形仿真波形图是执行以下三条机器指令的结果：MOV R1,#1 功能：把立即数1写入R1。MOV R2,#3 功能：把立即数3写入R2。ADD R3, R1, R2 功能： （R1）+（R2） R3。运算器电路仿真波形分析：输入1到R1；输入3到R2；从R1读出，传到TA；从R2读出，传到TB；做加法运算，把结果写入R3。作业：1、 写出执行上述3条机器指令所需的控制信号。2、 解释120ns的波形。3、 写出120ns执行的指令。实验八 微控制器（1）一、实验目的学习CPU的工作原理，掌握CPU的控制信号的工作过程。二、实验内容设计以下3条机器指令的微程序。MOV R1, #1 功能：把立即数1写入R1。MOV R2, #3 功能：把立即数3写入R2。ADD R3,R1, R2 功能：（R1）+（R2） R3。设计微控制器，自动运行上述3条机器指令。三、实验步骤按照实验七的数据通路分析这3条指令工作过程，设计微程序。上述3条机器指令的28位微指令如下表： U 27.19D DIN U 18.15G S YOUTU14 U13TA TB12 11 . 8ALUOUT 运算U7.0下址16进制微指令00000000 00 00 00 00 00000000 00010000 00100000001 11 01 00 00 00000000 001001D0 00200000011 11 10 01 00 00000000 001103E4 00300000000 00 01 11 00 00000000 0100001C 00400000000 00 10 10 10 00000000 0101002A 00500000000 01 11 00 01 01100000 01100071 60600000000 00 00 00 00 0