计算机组成与结构TDCMA课程设计

1、计算机组成与结构课程设计说明书（此份实验报告数据准确）（并且得到了正确的运行结果）（各位亲们放心使用）题 目：基于TD- CM政验教学系统的模型计算机的设计与实现学生姓名：艾有陶目录摘要 1一、设计题目 2二、设计目的 2三、设计任务 2四、实验设备和环境2第一部分模型计算机设计方案的制定及实验设备接线图31、 系统组成框图及实现32、 指令系统4第二部分运算器的设计与调试4一、设计构思2二、运算器原理图2三、电路设21. 加法器（8 位） 22. 一位全加器电路图33. 右移一位运算器44. 与运算器45. 总体电路5四、编译结果及问题解决6第三部分微程序控制器的设计与调试71. 微程序流程

2、图72. 指令 73. 二进制微代码84. 调试过程中遇到的问题及解决8第四部分简单模型计算机的设计与实现91 .设备接线92. 使用的数据。9第五部分实验总结与实验心得11计算机组成与结构课程设计任务书一、设计题目基于TD- CMA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TD - CMA实验

3、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2 . PC机 1 台软件环境：1 操 作系统：WindowsXP2 . CMA （实验箱

4、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

5、 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 TD- CMA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

6、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TD - CMA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

7、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TD - CMA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TD- CMA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（M。、通用寄存器，指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（A

8、R）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：2 .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；3 .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；4 .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

9、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在本次课程设计实验中，我们组基于 TD-CM顺验教学系统的模型计算机进行了设计与 实现

10、，在本次实验中我们小组构建了一个简单的模型机，CPU由运算器（ALU,微程序控制器（MC,通用寄存器（IR）,程序计数器（PC和地址寄存器（AR组成，并且可 以实现简单的逻辑运算，本次实验中我们手动编写了二进制代码和微程序，使用QuartusII 4.2 对运算器进行设计及引脚分配，使用计算机组成原理与系统结构实验箱和PC机CMA寸微程序与二进制代码进行了编写和写入操作，最终完成了设计运算器实现三个运算，分别是“加”， “与”和“移位”。一、设计题目基于TD- CM顺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

11、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TD - CMA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

12、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2. PC机 1 台软件环境：操作系统：Windows2000/Windows XPCMA（实验箱配套软件）QuartusII4.2第一部分模型计算机设计方案的制定及实验设备接线图系统组成框图及实现本实验在CPU的基础上构建一个简单的模型机，包括输入输出单元MEM单元和CPUffl成。CPU由运算器（CPLD,微程序控制器（MC,通用寄存器（IR）, 程序计数器（PC和地址寄存器（AR组成，而CP

13、L取有2个寄存器R0和R1 组成，2个暂存器A和B组成，如图1-1所示。、指令系统助记符机器指令码说明IN0001 0000 (10H)“INPUT' f R0IN0010 0000 (20H)“INPUT' f R1ADD0011 0000 (30H)R01+R0" R01MUL0100 0000 (40H)R01* R02 - R01MOV0101 0000 (50H)A右移一位一 R01OR0110 0000 (60H)R01 或 R02 - R01OUT0111 0000 (70H)R0- OUTHLT1000 0000(80H)HLT第二部分运算器的设计与调

14、试一、设计构思设计运算器实现四个个运算，分别是“ 8位加法器”、“乘法器”、“移位运 算”、“或运算”，即A+R A*B, A移位，A或B。在QuartusII软件中建立工程文 件，用原理图输入进行设计，并编译。二、运算器原理图 vK4TlP7. (1图2-1原理图三、电路设计1.加法器（8位）2. 一位全加器电路图说明：用加法器，和高低电位。实现的一个 8位自加13.乘法器4.右移一位运算器说明：把输入的高7位按低7位输出，第8位则输出0.4.或运算器2 11:厚剧二.刃用 c7, 0研01说明：输入的两个数各个位对应或运算。5 .总体电路一事.字重言等一 K三L总体叠图6 . 74244

15、芯片1GM 1 A1 1A2 1A3 1A4 2GN2A1 2息2 2A3 2A4742441Y11V21Y31"j ：Qurt)f ： :,皿卬1上；： 口皿14: ：口5同.x: -:<2Y1ZY22Y32Y4A I a i i iij ,皿向 :.口u皿.二： ;.auTp. . / ： ；"aurp. . ： x - -加欷口CT1AL*F.图 2.3.74244实现数据存储及三态控制三、编译结果及问题解决出现问题：1 .分器件选用错误一一更换器件2 .接线、器件重叠一一调整接线，分离器件3 .粗线细线混用一一单输出用细线，多输出用粗线4 .接线与输入输出命名

16、不全一一分别对应命名5 .移位运算输入输出一一差分一位编译结果：0错误，6警告。第三部分微程序控制器的设计与调试1.微程序流程图00NOP 0指令译码3 03MEM> IR2.指令系统助记符机器指令码说明IN0001 0000 (10H)“INPUT' f R0IN0010 0000 (20H)“INPUT' f R1ADD0011 0000 (30H)R01+R0" R01MUL0100 0000 (40H)R01* R02 - R01MOV0101 0000 (50H)A右移一位一 R01OR0110 0000 (60H)R01 或 R02 - R01OUT

17、0111 0000 (70H)R0- OUTHLT1000 0000(80H)HLT3.二进制微代码区与地址高五位S3S2siso曲宇段m字段c字段下旬址12345GT8g1011121314IE161.7161920212223241HOF000c0G00000q000C0000000°012P<1>rinaoc00QDn111nQo0n11In0nn3匚40QuQJ000oc1DgQJ001PQCQ4RLEcr0000000Dc1D00000Q10Q016A右科一位fROl06Q000300L0d110a10000000016RLE07o0oo000DQ1D一aoo0

18、001001oVKD1+K0Z-+KO110(1000000D0G1.L0000i)0001)0fl18艮Oi* ROZfRCl11Q000000D0110口100000CiQC19flk 或 R02-R0L12000000011C110c13000000a110,ZVTJRC3100Cr1100D0G110Q000000D0a1二NLTTR13200IIa0Dn1dQ0000000000g1;KLA330c0000000Q0101100Q000IL013RIA34000Q000D1CQ101100°Q001g1RWAOu°00000010a01011000Q00iQ15XIWA区600Cr00cQ1qcoLo110000D01i116KLOUT37010100D0(0D0101)00D00fl11THLT'3B0u00uuuDuu0uQg0Ju011L0cQ4.调试过程中遇到的问题及解决a.在设计运算器电路时，对于quartus 2软件的不熟悉，以及ALU运算器整 体各个部件的功能理解很混乱。在老师的讲解下终于明白了。b. 在验证时对于接线有时由于不太仔细连错了， 对于以后的操作造成了很大 的影响。c.对于微指令是我在这一次试验中所遇到的最大的困难，在董老师的耐心指 导下，终于明白了。d.微指