計算機組成與結(jié)構(gòu)TDCMA課程設(shè)計

1、計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計說明書（此份實驗報告數(shù)據(jù)準確）（并且得到了正確的運行結(jié)果）（各位親們放心使用）題 目：基于TD- CM政驗教學系統(tǒng)的模型計算機的設(shè)計與實現(xiàn)學生姓名：艾有陶目錄摘要 1一、設(shè)計題目 2二、設(shè)計目的 2三、設(shè)計任務 2四、實驗設(shè)備和環(huán)境2第一部分模型計算機設(shè)計方案的制定及實驗設(shè)備接線圖31、 系統(tǒng)組成框圖及實現(xiàn)32、 指令系統(tǒng)4第二部分運算器的設(shè)計與調(diào)試4一、設(shè)計構(gòu)思2二、運算器原理圖2三、電路設(shè)21. 加法器（8 位） 22. 一位全加器電路圖33. 右移一位運算器44. 與運算器45. 總體電路5四、編譯結(jié)果及問題解決6第三部分微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試71. 微程序流程

2、圖72. 指令 73. 二進制微代碼84. 調(diào)試過程中遇到的問題及解決8第四部分簡單模型計算機的設(shè)計與實現(xiàn)91 .設(shè)備接線92. 使用的數(shù)據(jù)。9第五部分實驗總結(jié)與實驗心得11計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計任務書一、設(shè)計題目基于TD- CMA實驗教學系統(tǒng)的模型計算機的設(shè)計與實現(xiàn)二、設(shè)計目的計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的后續(xù)設(shè)計性課程，通過設(shè)計一臺模型計算機，使學生更好地理解計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容，掌握計算機設(shè)計與實現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng)學生實驗動手能力和創(chuàng)新意識，為以后進行計算機應用系統(tǒng)的 設(shè)計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。三、設(shè)計任務在西安唐都科教儀器公司研發(fā)、生產(chǎn)的TD - CMA實驗

3、教學系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計一個 8 位模型計算機系統(tǒng)，包括運算器，微程序控制器，存儲器 , 簡單輸入輸出接口和設(shè)備。要求學生自己定義一套簡單的指令系統(tǒng)，制定系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法。在計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)上搭建模型計算機系統(tǒng)，完成運算器、微程序控制器的設(shè)計調(diào)試任務，并用所設(shè)計的指令系統(tǒng)編寫一個實現(xiàn)簡單功能的程序，在搭建的模型機系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運行程序。最后總結(jié)實驗結(jié)果，完善所設(shè)計的模型機系統(tǒng)方案 和電路圖，寫出完整的設(shè)計報告。四、實驗設(shè)備和環(huán)境實驗設(shè)備：1 計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗箱1 臺2 . PC機 1 臺軟件環(huán)境：1 操 作系統(tǒng)：WindowsXP2 . CMA （實驗箱

4、配套軟件）3 QuartusII4.2五、設(shè)計內(nèi)容和要求根據(jù)設(shè)計任務的要求，結(jié)合時間進度安排和考核方面的因素，將本次設(shè)計內(nèi)容分為五個部分，各部分的具體設(shè)計內(nèi)容和要求如下：第一部分模型計算機設(shè)計方案的制定設(shè)計內(nèi)容：1 設(shè)計一個8 位模型計算機系統(tǒng)，包括運算器，微程序控制器，存儲器、簡單輸入輸出設(shè)備、時序和啟停等電路；2畫出系統(tǒng)組成框圖，指出各個部分的功能和實現(xiàn)途徑；3針對所設(shè)計的模型機系統(tǒng)，每組學生自己定義一套簡單的指令系統(tǒng)，給出助記符指令格式，分配指令的機器代碼，指出指令的功能；4寫出設(shè)計方案。設(shè)計要求：1 所設(shè)計的模型計算機系統(tǒng)為8 位模型機，運算器為8 位運算器，數(shù)據(jù)總線和地址總線都為 8

5、 位，輸入設(shè)備為8 位開關(guān)，輸出設(shè)備為8 位發(fā)光二級管指示燈；2每組定義的指令系統(tǒng)為6 至 10 條指令，必須包含本組運算器特有運算功能的指令，每組必須有兩條以上指令與其他組不同；3每組提交設(shè)計方案，包括簡單模型機的結(jié)構(gòu)框圖、指令系統(tǒng)、第二部分運算器的設(shè)計與調(diào)試設(shè)計內(nèi)容：1. 自定義運算器的功能；2. 使用 TD- CMA實驗教學系統(tǒng)提供的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD ( EMP1270),根據(jù)指令功能選擇(確定)相應的算邏運算，用原理圖輸入或VHDL硬件描述語言方法進行設(shè)計，在 QuartusII 軟件中建立工程文件，實現(xiàn)相應功能；3. 在“計算機組成原理與結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)”上調(diào)試和完成運算器的

6、設(shè)計工作；設(shè)計要求：1. 認真閱讀實驗教材，了解實驗所用儀器和設(shè)備的使用方法及注意事項；2. 了解 VHDL、 HDL 語言；3. 了解 QuartusII 軟件環(huán)境；4. 實現(xiàn)自定義運算器；5. 提交在 QuartusII 軟件中建立的工程文件；第三部分微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試設(shè)計內(nèi)容：1 編寫出實現(xiàn)自定義指令系統(tǒng)的微程序；2 將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；3 .在TD - CMA實驗教學系統(tǒng)平臺上調(diào)試和完成微程序控制器的設(shè)計工作；設(shè)計要求：1 認真閱讀實驗教材，了解實驗所用儀器和設(shè)備的使用方法及注意事項；2 將所編寫的微程序存儲到控制存儲器中；3用單步執(zhí)行微指令方式執(zhí)行微程序并觀測所

7、發(fā)出的控制信號；4每組編寫的程序必須有助記符表示的匯編語言源程序，并把源程序翻譯成機器指令代碼，并記錄相關(guān)實驗結(jié)果；5. 提交微程序流程圖、對應的二進制微代碼表。第四部分整機調(diào)試 設(shè)計內(nèi)容：1 .全面深刻地分析西安唐都科教儀器公司的TD - CMA實驗教學系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu),為設(shè)計模型計算機系統(tǒng)作準備；2 .在TD- CMA實驗教學系統(tǒng)平臺下完成程序的寫入、運行、調(diào)試。3 .連線搭建實現(xiàn)一個簡單的模型計算機，包括CPU,存儲器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中CPU由運算器（使用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD設(shè)計實現(xiàn)）、微程序控制器（M。、通用寄存器，指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（A

8、R）組成。5.調(diào)試并實現(xiàn)簡單模型計算機的功能。設(shè)計要求：1 .提交簡單模型機的接線圖。第五部分設(shè)計報告的撰寫和答辯驗收設(shè)計內(nèi)容：2 .在完成以上模型計算機系統(tǒng)的實驗測試內(nèi)容后，修改和完善設(shè)計方案和所畫的電路原理圖；3 .準備好自己搭建的模型機系統(tǒng)平臺和相關(guān)的實驗測試數(shù)據(jù)，接受指導教師的答辯驗收工作；4 .每個學生寫出一份完整的設(shè)計報告。設(shè)計要求：1 .對所設(shè)計的模型機系統(tǒng)進行全面總結(jié)，完善設(shè)計內(nèi)容；2 .在接受指導教師的答辯驗收前，做好充分準備工作，包括平臺準備，程序的輸入， 相關(guān)的測試數(shù)據(jù)整理等；3 .每個學生自己獨立寫出一份設(shè)計報告，設(shè)計報告必須計算機打印，要求設(shè)計方案和 指導思想正確，格

9、式規(guī)范，內(nèi)容全面，敘述清楚，分析和總結(jié)合理。六、時間安排：設(shè)計內(nèi)容時間第一部分模型計算機設(shè)計方案的制定1天第二部分運算器的設(shè)計與調(diào)試3天第三部分微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試3天第四部分整機調(diào)試1天第五部分設(shè)計報告的撰寫和答辯驗收2天七、考核方式考查，最終成績包括設(shè)計報告（30%）、平時成績（30%）、答辯驗收（40%）,課程最終成績按照優(yōu)、良、中、及格和不及格五分制評分。八、參考資料1. 王愛英主編.計算機組成與結(jié)構(gòu)（第四版）.北京：清華大學出版社，20072. CMA用戶手冊；3. CMA組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)摘要在本次課程設(shè)計實驗中，我們組基于 TD-CM順驗教學系統(tǒng)的模型計算機進行了設(shè)計與 實現(xiàn)

10、，在本次實驗中我們小組構(gòu)建了一個簡單的模型機，CPU由運算器（ALU,微程序控制器（MC,通用寄存器（IR）,程序計數(shù)器（PC和地址寄存器（AR組成，并且可 以實現(xiàn)簡單的邏輯運算，本次實驗中我們手動編寫了二進制代碼和微程序，使用QuartusII 4.2 對運算器進行設(shè)計及引腳分配，使用計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗箱和PC機CMA寸微程序與二進制代碼進行了編寫和寫入操作，最終完成了設(shè)計運算器實現(xiàn)三個運算，分別是“加”， “與”和“移位”。一、設(shè)計題目基于TD- CM順驗教學系統(tǒng)的模型計算機的設(shè)計與實現(xiàn)二、設(shè)計目的計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的后續(xù)設(shè)計性課程， 通過設(shè)計一臺

11、模型計算機，使學生更好地理解計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容， 掌握計算機設(shè)計與實現(xiàn)的基本方法，培養(yǎng)學生實驗動手能力和創(chuàng)新意識，為以后進行計算機應用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。三、設(shè)計任務在西安唐都科教儀器公司研發(fā)、生產(chǎn)的TD - CMA實驗教學系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計一個8 位模型計算機系統(tǒng)，包括運算器，微程序控制器，存儲器, 簡單輸入輸出接口和設(shè)備, 時序和啟?？刂频入娐贰Ｒ髮W生自己定義一套簡單的指令系統(tǒng)，制定系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，畫出所設(shè)計的模型機系統(tǒng)的電路原理圖。在計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)上搭建模型計算機系統(tǒng)，完成運算器、微程序控制器的設(shè)計調(diào)試任務，并用所設(shè)計的指令系統(tǒng)編寫一個實

12、現(xiàn)簡單功能的程序，在搭建的模型機系統(tǒng)上輸入、調(diào)試和運行程序。最后總結(jié)實驗結(jié)果，完善所設(shè)計的模型機系統(tǒng)方案和電路圖，寫出完整的設(shè)計報告。四、實驗設(shè)備和環(huán)境實驗設(shè)備：1計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗箱1 臺2. PC機 1 臺軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)：Windows2000/Windows XPCMA（實驗箱配套軟件）QuartusII4.2第一部分模型計算機設(shè)計方案的制定及實驗設(shè)備接線圖系統(tǒng)組成框圖及實現(xiàn)本實驗在CPU的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個簡單的模型機，包括輸入輸出單元MEM單元和CPUffl成。CPU由運算器（CPLD,微程序控制器（MC,通用寄存器（IR）, 程序計數(shù)器（PC和地址寄存器（AR組成，而CP

13、L取有2個寄存器R0和R1 組成，2個暫存器A和B組成，如圖1-1所示。、指令系統(tǒng)助記符機器指令碼說明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第二部分運算器的設(shè)計與調(diào)

14、試一、設(shè)計構(gòu)思設(shè)計運算器實現(xiàn)四個個運算，分別是“ 8位加法器”、“乘法器”、“移位運 算”、“或運算”，即A+R A*B, A移位，A或B。在QuartusII軟件中建立工程文 件，用原理圖輸入進行設(shè)計，并編譯。二、運算器原理圖 vK4TlP7. (1圖2-1原理圖三、電路設(shè)計1.加法器（8位）2. 一位全加器電路圖說明：用加法器，和高低電位。實現(xiàn)的一個 8位自加13.乘法器4.右移一位運算器說明：把輸入的高7位按低7位輸出，第8位則輸出0.4.或運算器2 11:厚劇二.刃用 c7, 0研01說明：輸入的兩個數(shù)各個位對應或運算。5 .總體電路一事.字重言等一 K三L總體疊圖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.圖 2.3.74244實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及三態(tài)控制三、編譯結(jié)果及問題解決出現(xiàn)問題：1 .分器件選用錯誤一一更換器件2 .接線、器件重疊一一調(diào)整接線，分離器件3 .粗線細線混用一一單輸出用細線，多輸出用粗線4 .接線與輸入輸出命名

16、不全一一分別對應命名5 .移位運算輸入輸出一一差分一位編譯結(jié)果：0錯誤，6警告。第三部分微程序控制器的設(shè)計與調(diào)試1.微程序流程圖00NOP 0指令譯碼3 03MEM> IR2.指令系統(tǒng)助記符機器指令碼說明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)HLT3.二進制微代碼區(qū)與地址高五位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區(qū)600Cr00cQ1qcoLo110000D01i116KLOUT37010100D0(0D0101)00D00fl11THLT'3B0u00uuuDuu0uQg0Ju011L0cQ4.調(diào)試過程中遇到的問題及解決a.在設(shè)計運算器電路時，對于quartus 2軟件的不熟悉，以及ALU運算器整 體各個部件的功能理解很混亂。在老師的講解下終于明白了。b. 在驗證時對于接線有時由于不太仔細連錯了， 對于以后的操作造成了很大 的影響。c.對于微指令是我在這一次試驗中所遇到的最大的困難，在董老師的耐心指 導下，終于明白了。d.微指