东北大学秦皇岛分校计算机组成原理课设.docx
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东北大学秦皇岛分校计算机组成原理课设
东北大学秦皇岛分校计算机组成原理课设
29
MOVA,R?
011100
将寄存器R?
的值送到累加器A中
42
JZMM
101001
MM
当零标志R_Z=1时,跳转到MM地址
2、模型机硬件设计：
输出寄存器OUT
3、逻辑电路设计：
带异步清零和计数使能的8位二进制计数器
2.前言
1、融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；
2、学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；
3、培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
3.设计主体
【系统设计】
整机逻辑结构框图
图1
芯片引脚：
图2
cpu逻辑结构框图：
图3
【设计指令系统】
1、指令系统设计
表2
第6条指令：
ADDA,@R?
指令类型：
算术运算指令
寻址方式：
寄存器间接寻址
第23条指令：
ANDA,MM
指令类型：
逻辑运算指令
寻址方式：
存储器直接寻址
第29条指令：
MOVA,R?
指令类型：
数据传送指令
寻址方式：
寄存器直接寻址
第42条指令：
JZMM
指令类型：
程序跳转类指令
寻址方式：
存储器直接寻址
2、微操作控制信号
1、XRD：
外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
2、EMWR：
程序存储器EM写信号。
3、EMRD：
程序存储器EM读信号。
4、PCOE：
将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上（MAR）。
5、EMEN：
将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
6、IREN：
将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR。
7、EINT：
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
8、ELP：
PC打入允许，与指令寄存器IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
9、FSTC：
进位置1，CY=1
10、FCLC：
进位置0，CY=0
11、MAREN：
将地址总线ABUS上的地址打入地址寄存器MAR。
12、MAROE：
将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。
13、OUTEN：
将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
14、STEN：
将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
15、RRD：
读寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
16、RWR：
写寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
17、CN：
决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
18、FEN：
将标志位存入ALU内部的标志寄存器。
19、WEN：
将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。
20、AEN：
将数据总线DBUS的值打入累加器A中。
21-23:
X2~X0：
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
24-26:
S2~S0：
S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。
3、指令执行流程
表3
编号
助记符
功能
机器码
周期总数CT
节拍数
微操作
控制信号
涉及的硬件
1
_FATCH_
取指令
000000XX
010
T2
PC→MAR
PCOEMAREN
PC,MAR,EM,W,IR
T1
EM→W
EMENEMRDWEN
T0
W→IR
PC+1
IREN
4
DECR?
R?
中内容自减1
000011XX
100
T4
1→W
R?
→DBUS→A
WENRRDAEN
WR?
DBUSAALU
T3
A-W→ALU→DBUS→R?
AENS（）
23
ANDA,MM
累加器A“与”存储器MM地址的值
010110XX
101
T5
PC→MAR
PCOEMAREN
PC,MAR,EM,W,A,ALU,F
T4
EM→DBUS→W
PC+1→PC
EMRDEMENWEN
T3
A+W→ALU→F
ALU→A
FENAEN
29
MOVA,R?
将寄存器R?
的值送到累加器A中
011100XX
100
T4
R?
→DBUS→W
RRDWEN
R?
DBUSWA
T3
W→A
AEN
42
JZMM
当零标志R_Z=1时,跳转到MM地址
101001XX
101或011
T5
若Z=1，则
PCMAREMWDBUS
PC→MAR
PCOEMAREN
PCMAREMWDBUS
T4
EM→W
EMRDEMENWEN
T3
W→DBUS→PC
ELP
T3
否则：
PC＋１→PC
PC
指令执行流程图
DECR?
ANDA,MMMOVA,R?
JZMM
Z=1
YN
T5T5
T4T4T4
T3T3T3T3
图4
二部分
【模型及实现（输出寄存器OUT）】
带清零的8位并行输入串行输出移位寄存器
1、设计构思
引脚：
八个并行输入端口
一个输出端口
时钟信号控制引脚时钟信号禁止端移位装载控制复位
功能：
数据并行的输入，串行的输出实现所谓的并串变化
输入引脚：
a,b,c,d,e,f,g,h8位并行输入信号
se串行输入信号
输出引脚：
q串行输出信号
控制引脚：
clk时钟信号
fe时钟信号禁止端
s1移位装载控制端
reset复位信号
表4控制信号功能表
CLK
reset
fe
S1
q
↑上升沿有效
0复位
-
-
00000000
1
1
-
00000000
0
0
依次装载
1
移位装载
2、VHDL源程序设计过程
包括三个部分，即库和程序包调用、实体部分、结构体部分
程序包调用：
LIBRARYieee;
useieee.std_logic_1164.all;
实体部分一般格式：
entity实体名is
类型参数说明
端口说明
end实体名
注意：
实体名与保存的源文件名相同
结构体部分一般格式：
Architecture结构体名of实体名is
定义语句
Begin
并行处理语句
End结构体名
建立过程
图5
图6
逻辑电路图
图7
图8
图9
仿真测试
图10
图11
3、VDHLM描述如下
LIBRARYieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entityregis
port（reset,s1,fe,clk,se,a,b,c,d,e,f,g,h:
instd_logic;
q:
outstd_logic）;
endreg;
architecturebehaveofregis
signaltmpreg8:
std_logic_vector（7downto0）;
begin
process（clk,reset,s1,fe）
begin
if（reset='0'）then
tmpreg8<="00000000";
q<=tmpreg8（7）;
elsif（clk'event）and（clk='1'）then
if（fe='0'）then
if（s1='0'）then
tmpreg8（0）<=a;
tmpreg8
（1）<=b;
tmpreg8
（2）<=c;
tmpreg8（3）<=d;
tmpreg8（4）<=e;
tmpreg8（5）<=f;
tmpreg8（6）<=g;
tmpreg8（7）<=h;
elsif（s1='1'）then
foriintmpreg8'highdowntotmpreg8'low+1loop
tmpreg8（i）<=tmpreg8（i-1）;
endloop;
tmpreg8（tmpreg8'low）<=se;
q<=tmpreg8（7）;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
endbehave;
三部分
【模型及实现（带异步清零和计数使能的8位二进制计数器）】
1、建立过程
图12
图13
逻辑电路图
图14
图15
图16
图17
图18
图19
图20
图21
图22
仿真测试
图23
图24
2、VDHLM描述
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entitywangfangis
Port（clk,reset,en:
inSTD_LOGIC;
q:
outSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
bout:
outSTD_LOGIC）;
endwangfang;
architectureBehavioralofwangfangis
signalcq:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
begin
process（clk,reset,en）
begin
ifreset='0'thencq<="00000000";
elsifclk'eventandclk='1'then
ifen='1'then
ifcq>0then
cq<=cq-1;
else
cq<="11111111";
endif;
ifcq=0then
bout<='1';
else
bout<='0';
endif;
endif;
endif;
q<=cq;
endprocess;
endBehavioral;
四、结束语
这次课程设计是在已学计算机组成原理基础上进行的一次大型实验，也是对该课程所学理论知识的深化和提高。
因此，要求我们学生能综合应用所学知识，设计与制造出具有较复杂功能的应用系统，并且在实验的基本技能方面上进行一次全面的训练。
但是在此过程中也遇到了很多困难，比如在设计开始的阶段对于XILINXISE和ModelsimSE这两个软件就不会用，通过和同学交流我大概了解了软件的用法，在进行ALU仿真时，总是运行不了，经过仔细分析，才发现可能是我的ModelsimSE版本的问题。
在本次设计中，遇到了很多问题，开始有些迷茫，在老师的分析以及同学的帮助下，相关资料的查阅，先了解了整个设计的总体设计思路，然后查了很多关于输出寄存器以及计数器的资料，从它的根本设计原理出发，比如计数器的过程为减的过程等等。
经过努力调试修改把这个设计大部分完成，虽然里面还存在很多问题，但感觉自己在计
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