计算机组成原理课设.doc

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计算机组成原理
课程设计报告

题目：设计一台嵌入式CISC模型机
院系：计算机科学与工程学院
专业：网络工程
：麦健豪
学号：1100380215
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一、课程设计的题目和内容
采用定长CPU周期、联合控制方式，并运行能完成一定功能的机器语言源程序进展验证，机器语言源程序功能如下：
输入5个有符号整数〔8位二进制补码表示〕，求最大负数的绝对值并输出显示。
说明：
①5个有符号数从外部输入；
②一定要使用符号标志位〔比方说SF〕，并且要使用为负的时候转移〔比方JS〕或不为负的时候转移〔比方JNS〕指令；
③采用单数据总线构造的运算器。
二、系统设计
2.1系统的总体设计

2.2设计控制器的逻辑构造框图

说明：
在T4内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在T2的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令存放器，即图中的微命令存放器和微地址存放器。

2.3设计机器指令和指令系统
指令
对象
功能
机器指令
Mov1
XX,RD
DATA
DATA->RD
0011

TEST
XX,RD
AC锁存FS
0100
JNS
XXXX
ADDR
ADDR->PC
0101

INC
XX,RD
RD+1->RD
0110
IN
XX,RD
SW->RD
0111
CMP
RS,RD
RS-RD锁存FS
1001
MOV2
RS,RD
RS->RD
1010
JMP
XXXX
ADDR
ADDR->PC
1011

NEG
XX,RD
(0-RD)->RD
1100
OUT
RS,XX
RS->LED
1101
以下是对Rs,Rd的规定：
Rs或Rd
选定的存放器
0 0
R0
0 1
R1
1 0
R2

模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下：
7
6 5 4 3 2 1 0
符号位
尾数

2.4设计时序产生器

2.5设计微程序流程图

2.6设计操作控制器单元
(1)设计微指令格式与微指令代码表
CISC模型机系统使用的微指令采用全水平型微指令，字长为25位，其中微命令字段为17位，P字段为2位，后继微地址为6位，其格式如下：

设计的具体指令为：
16进制
微地址
LOAD
LDPC
LDAR
LDIR
LDRi
RD_B
RB_B
S1
S0
ALU_B
LDAC
LDDR
WR
CS
SW_B
LED_B
LDFR
P1
P2
后继微地址
00
000000
00
000010
02
000010
10
000000
03
000011
00
001110
04
000100
00
001111
05
000101
01
100000
06
000110
00
010010
07
000111
00
000000
09
001001
00
010101
0A
001010
00
000000
0B
001011
00
011000
0C
001100
00
011001
0D
001101
00
000000
0E
001110
00
000000
0F
001111
00
000000
12
010010
00
000000
15
010101
00
010110
16
010110
00
000000
18
011000
00
000000
19
011001
00
000000
30
110000
00
000000
20
100000
00
000000

（2） 设计地址转移逻辑电路
地址转移逻辑电路是根据微程序流程图的棱形框局部及多个分支微地址，利用微地址存放器的异步置‘1’端，实现微地址的多路转移的。由于是采用逻辑电路来实现的，故称之为地址转移逻辑电路。在微地址流程图中，P〔1〕〔高电平有效〕测试时，根据指令的操作I7~I4强制修改后继地址的低四位；在P〔2〕〔高电平有效〕时，根据借位标志FS进展2路分支，并且都在T4内形成后继微指令的微地址。

SE5=((NOT FS) AND P(2) AND T4
SE4=(I7 AND P(2) AND T4
SE3=(I6 AND P(2) AND T4
SE2=(I5 AND P(2) AND T4
SE1=(I4 AND P(2) AND T4

2.7设计单元顶层电路

2.8编写汇编语言源程序
算法：R0存入一个整数-4，作为五次输入循环使用；R1用于存储输入的整数；R3用于存入最后的结果，并预存一个最小负数-128.随后如下

Mov1 R0,-5
将立即数-4->R0

MOV1 R2,-128
将立即数-128 ->R2
L1
TEST R0
测试R0，锁存SF

JNS L2
非负，即SF=0，跳转L2

INC R0
R0+1

IN R1
输入一个整数，并存入R1

TEST R1
测试R1

JNS L1
非负那么跳转L1

CMP R2,R1
比拟R2,R1的大小，锁存SF

JNS L1
非负那么跳转L1

MOV2 R1,R2
将R1的内容存入R2

JMP L1
跳转L1
L2
NEG R2
对R2求补

OUT R2
输出结果
2.9 机器语言源程序

指令
地址
地址16进制
机器指令
十六进制
备注

Mov1 R0,-5
00000000
00
00110000
30

00000001
01
11111011
FB

MOV1 R2,-128
00000010
02
00110010
32

00000011
03
10000001
FF

L1
TEST R0
00000100
04
01000000
40

JNS L2
00000101
05
01010000
50

00000110
06
00010010
11

INC R0
00000111
07
01100000
60

IN R1
00001000
08
01110001
71

TEST R1
00001001
09
01000001
41

JNS L1
00001010
0A
01010000
50

00001011
0B
00000100
04

CMP R2,R1
00001100
0C
10011001
99

JNS L1
00001101
0D
01010000
50

00001110
0E
00000100
04

MOV2 R1,R2
00001111
0F
10100110
A6

JMP L1
00010000
10
10110000
B0

00010001
11
00000100
04

L2
NEG R2
00010010
12
11000010
C2

OUT R2
00010011
13
11011000
D8

CISC模型机的单元电路
3.1 ALU单元
S1
S0
功能
0
0
AC-DR,锁存FS
0
1
AC 锁存FS
1
0
自加1
1
1
求补

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY ALU IS
PORT(
A:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
B:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
S1,S0:IN STD_LOGIC;
BCDOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
SF:OUT STD_LOGIC
);
END ALU;
ARCHITECTURE A OF ALU IS
SIGNAL AA,BB,TEMP:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(S1,S0)
BEGIN
IF(S1='0' AND S0='0')THEN
TEMP<=A-B;
SF<=TEMP(7);
BCDOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0);
ELSIF(S1='0' AND S0='1')THEN
TEMP<=A-0;
SF<=TEMP(7);
BCDOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0);
ELSIF(S1='1' AND S0='0')THEN
TEMP<=A+1;
BCDOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0);

ELSIF(S1='1' AND S0='1')THEN
TEMP<=0-A;
BCDOUT<=TEMP(7 DOWNTO 0);
END IF;
END PROCESS;
END A;
3.2存放器单元
LDFR上升沿有效。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY LS74 IS
PORT(
LDFR:IN STD_LOGIC;
SF:IN STD_LOGIC;
FS:OUT STD_LOGIC
);
END LS74;
ARCHITECTURE A OF LS74 IS
BEGIN
PROCESS(LDFR)
BEGIN
IF(LDFR'EVENT AND LDFR='1')THEN
FS<=SF;
END IF;
END PROCESS;
END A;

而暂存存放器与通用存放器那么是使用LS273
通用存放器功能表
RO_1
R1_B
R2_B
ALU_B
功能
1
1
1
0
输出ALU
0
1
1
1
输出R0
1
0
1
1
输出R1
1
1
0
1
输出R2

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY LS273 IS
PORT(
D:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
CLK:IN STD_LOGIC;
O:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END LS273;
ARCHITECTURE A OF LS273 IS
BEGIN
PROCESS(CLK)
BEGIN
IF(CLK'EVENT AND CLK='1') THEN
O<=D;
END IF;
END PROCESS;
END A;
3.3 1:2分配器单元
输入
输出
WR
LED_B
X[7..0]
W1[7..0]
W2[7..0]
0
0
X

X[7..0]
其他值
X
X[7..0]

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY FEN2 IS
PORT(
X:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
WR,LED_B:IN STD_LOGIC;
W1,W2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END FEN2;
ARCHITECTURE A OF FEN2 IS
BEGIN
PROCESS(LED_B,WR)
BEGIN
IF(LED_B='0' AND WR='0') THEN
W2<=X;
ELSE
W1<=X;
END IF;
END PROCESS;
END A;
3.4 3选1数据选择器单元

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY MUX3 IS
PORT(
ID:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
SW_B,CS:IN STD_LOGIC;
N1,N2:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
EW:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END MUX3;
ARCHITECTURE A OF MUX3 IS
BEGIN
PROCESS(SW_B,CS)
BEGIN
IF(SW_B='0') THEN
EW<=ID;
ELSIF(CS='0')THEN
EW<=N2;
ELSE
EW<=N1;
END IF;
END PROCESS;
END A;

3.5 4选1数据选择器单元

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY MUX4 IS
PORT(
C,D,E,F: IN STD_LOGIC;
X1,X2,X3,X4: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
W: out STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END MUX4;

ARCHITECTURE A OF MUX4 IS
SIGNAL SEL: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
SEL<=F&E&D&C;
PROCESS(SEL)
BEGIN
IF(SEL="1110") THEN --R0_out
W<=X1;
ELSIF(SEL="1101") THEN --R1_out
W<=X2;
ELSIF(SEL="1011") THEN --R2-out
W<=X3;
ELSIF(SEL="0111") THEN --R3_out
W<=X4;
ELSE
null;
END IF;
END PROCESS;
END A;
3.6 程序计数器单元

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY PC IS
PORT(
load,LDPC,CLR: IN STD_LOGIC;
D: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
O: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END PC;
ARCHITECTURE A OF PC IS
SIGNAL QOUT: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(LDPC,CLR,load)
BEGIN
IF(CLR='0') THEN
QOUT<="00000000";
ELSIF(LDPC'EVENT AND LDPC='1') THEN
IF(load='0') THEN
QOUT<=D; --BUS->PC
ELSE
QOUT<=QOUT+1; --PC+1
END IF;
END IF;
END PROCESS;
O<=QOUT;
END A;
3.7 地址存放器单元
同存放器单元
3.8主存储器单元
即为ROM。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY ROM16 IS
PORT(
DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
ADDR:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
CS:IN STD_LOGIC
);
END ROM16;
ARCHITECTURE A OF ROM16 IS
BEGIN
DOUT<="00110000"WHEN ADDR="00000000"AND CS='0'ELSE
"11111011"WHEN ADDR="00000001"AND CS='0'ELSE
"00110010"WHEN ADDR="00000010"AND CS='0'ELSE
"10000001"WHEN ADDR="00000011"AND CS='0'ELSE
"01000000"WHEN ADDR="00000100"AND CS='0'ELSE
"01010000"WHEN ADDR="00000101"AND CS='0'ELSE
"00010010"WHEN ADDR="00000110"AND CS='0'ELSE
"01100000"WHEN ADDR="00000111"AND CS='0'ELSE
"01110001"WHEN ADDR="00001000"AND CS='0'ELSE
"01000001"WHEN ADDR="00001001"AND CS='0'ELSE
"01010000"WHEN ADDR="00001010"AND CS='0'ELSE
"00000100"WHEN ADDR="00001011"AND CS='0'ELSE
"10011001"WHEN ADDR="00001100"AND CS='0'ELSE
"01010000"WHEN ADDR="00001101"AND CS='0'ELSE
"00000100"WHEN ADDR="00001110"AND CS='0'ELSE
"10100110"WHEN ADDR="00001111"AND CS='0'ELSE
"10110000"WHEN ADDR="00010000"AND CS='0'ELSE
"00000100"WHEN ADDR="00010001"AND CS='0'ELSE
"11000010"WHEN ADDR="00010010"AND CS='0'ELSE
"11011000"WHEN ADDR="00010011"AND CS='0'ELSE
"00000000";
END A;
3.9 指令存放器单元

3.10 时序产生器单元

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY COUNTER IS
PORT(
Q,CLR: IN STD_LOGIC;
T2,T3,T4: OUT STD_LOGIC
);
END COUNTER;
ARCHITECTURE A OF COUNTER IS
SIGNAL X: STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(Q,CLR)
BEGIN
IF(CLR='0') THEN
T2<='0';
T3<='0';
T4<='0';
X<="00";
ELSIF(Q'EVENT AND Q='1') THEN
X<=X+1;
T2<=(NOT X(1)) AND X(0);
T3<=X(1) AND (NOT X(0));
T4<=X(1) AND X(0);
END IF;
END PROCESS;
END A;
3.11 操作控制器单元

地址转移逻辑电路ADDR
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY ADDR IS
PORT(
I7,I6,I5,I4:IN STD_LOGIC;
FS,T4,P1,P2:IN STD_LOGIC;
SE6,SE5,SE4,SE3,SE2,SE1:OUT STD_LOGIC
);
END ADDR;
ARCHITECTURE A OF ADDR IS
BEGIN
SE6<='1';
SE5<=NOT( FS AND P2 AND T4);
SE4<=NOT(I7 AND P1 AND T4);
SE3<=NOT(I6 AND P1 AND T4);
SE2<=NOT(I5 AND P1 AND T4);
SE1<=NOT(I4 AND P1 AND T4);
END A;
微地址存放器

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY MMM IS
PORT(
SE:IN STD_LOGIC;
T2:IN STD_LOGIC;
D:IN STD_LOGIC;
CLR:IN STD_LOGIC;
UA:OUT STD_LOGIC
);
END MMM;
ARCHITECTURE A OF MMM IS
BEGIN
PROCESS(CLR,SE,T2)
BEGIN
IF(CLR='0') THEN
UA<='0';
ELSIF(SE='0')THEN
UA<='1';
ELSIF(T2'EVENT AND T2='1') THEN
UA<=D;
END IF;
END PROCESS;
END A;
微地址转换器F1
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY F1 IS
PORT(
UA5,UA4,UA3,UA2,UA1,UA0:IN STD_LOGIC;
D:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0)
);
END F1;
ARCHITECTURE A OF F1 IS
BEGIN
D(5)<=UA5;
D(4)<=UA4;
D(3)<=UA3;
D(2)<=UA2;
D(1)<=UA1;
D(0)<=UA0;
END A;
控制存储器
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY CONTROM IS
PORT(ADDR: IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);
UA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);
D:OUT STD_LOGIC_VECTOR(18 DOWNTO 0)
);
END CONTROM;
ARCHITECTURE A OF CONTROM IS
SIGNAL DATAOUT: STD_LOGIC_VECTOR(24 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(ADDR)
BEGIN
CASE ADDR IS
WHEN "000000"=>DATAOUT<="00000010";
WHEN "000010"=>DATAOUT<="10000000";
WHEN "000011"=>DATAOUT<="00001110";
WHEN "000100"=>DATAOUT<="00001111";
WHEN "000101"=>DATAOUT<="01100000";
WHEN "000110"=>DATAOUT<="00010010";
WHEN "000111"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "001001"=>DATAOUT<="00010101";
WHEN "001010"=>DATAOUT<="00000000"; --0A
WHEN "001011"=>DATAOUT<="00011000";
WHEN "001100"=>DATAOUT<="00011001";
WHEN "001101"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "001110"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "001111"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "100000"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "010010"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "010101"=>DATAOUT<="00010110";
WHEN "010110"=>DATAOUT<="00000000";
--WHEN "010111"=>DATAOUT<="00000000"; --17
WHEN "011000"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "011001"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN "110000"=>DATAOUT<="00000000";
WHEN OTHERS=>DATAOUT<="00000000";
END CASE;
UA(5 DOWNTO 0)<=DATAOUT(5 DOWNTO 0);
D(18 DOWNTO 0)<=DATAOUT(24 DOWNTO 6);
END PROCESS;
END A;
微命令存放器
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY MMAND IS
PORT(
T2,T3,T4,I3,I2,I1,I0:IN STD_LOGIC;
O:IN STD_LOGIC_VECTOR(18 DOWNTO 0);
P1,P2,LOAD,LDPC,LDAR,LDIR,LDR0,LDR1,LDR2,R0_B,R1_B,R2_B,S1,S0,ALU_B,LDAC,LDDR,WR,CS,SW_B,LED_B,LDFR:OUT STD_LOGIC
);
END MMAND;
ARCHITECTURE A OF MMAND IS
SIGNAL DATAOUT:STD_LOGIC_VECTOR(18 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(T2)
BEGIN
IF(T2'EVENT AND T2='1')THEN
DATAOUT(18 DOWNTO 0)<=O(18 DOWNTO 0);
END IF;
P2<=DATAOUT(0);
P1<=DATAOUT(1);
LDFR<=DATAOUT(2) AND T4;
LED_B<=DATAOUT(3);
SW_B<=DATAOUT(4);
CS<=DATAOUT(5);
WR<=DATAOUT(6)OR(NOT T3);
LDDR<=DATAOUT(7) AND T4;
LDAC<=DATAOUT(8) AND T4;
ALU_B<=DATAOUT(9);
S0<=DATAOUT(10);
S1<=DATAOUT(11);
R2_B<=(DATAOUT(13)OR(NOT I1)OR I0)AND(DATAOUT(12)OR(NOT I3)OR I2);
R1_B<=(DATAOUT(13)OR(NOT I0)OR I1)AND(DATAOUT(12)OR(NOT I2)OR I3);
R0_B<=(DATAOUT(13)OR I1 OR I0)AND(DATAOUT(12)OR I3 OR I2);
LDR2<=T4 AND DATAOUT(14)AND I1 AND (NOT I0);
LDR1<=T4 AND DATAOUT(14)AND (NOT I1) AND I0;
LDR0<=T4 AND DATAOUT(14)AND (NOT I1) AND (NOT I0);
LDIR<=DATAOUT(15)AND T3;
LDAR<=DATAOUT(16)AND T3;
LDPC<=DATAOUT(17)AND T4;
LOAD<=DATAOUT(18);
END PROCESS;
END A;
微地址转换器F2
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY F2 IS
PORT(
D:IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);
UA5,UA4,UA3,UA2,UA1,UA0:OUT STD_LOGIC
);
END F2;
ARCHITECTURE A OF F2 IS
BEGIN
UA5<=D(5);
UA4<=D(4);
UA3<=D(3);
UA2<=D(2);
UA1<=D(1);
UA0<=D(0);
END A;
微地址转换器F3
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY F3 IS
PORT(
D:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
UA7,UA6,UA5,UA4,UA3,UA2,UA1,UA0:OUT STD_LOGIC
);
END F3;
ARCHITECTURE A OF F3 IS
BEGIN
UA7<=D(7);
UA6<=D(6);
UA5<=D(5);
UA4<=D(4);
UA3<=D(3);
UA2<=D(2);
UA1<=D(1);
UA0<=D(0);
END A;
3.12 顶层电路单元

备注：SF，和LDRF输出是个人用于仿真过失时候参加的，对于机器不影响。

3.13 功能仿真与时序仿真

如图，输入了五个数：82，01，02，03，FE，最后输出结果02.
结果正确。
报告总结
这个课设，我是从设计汇编程序开场的。和舍友针对程序要求，翻出汇编课本，写出了第一版的程序，然后开场根据课本来写指令系统。随后又根据书上的微指令，抄写了一样的代码，再从网上找到了其他功能的微指令。不过此时对于微指令的数字含义是不知道的。
随后，不知道怎么做了，停下了半天。周六晚上通宵，把器件都做好了，并连上了线，周日早上开场研究了一下微指令。
接着就是进展波形的模拟仿真。不过发现自己问题很多。随后就是一系列的改动了，从汇编程序开场进展简化，再接着修改微指令，请教了同学微指令的具体意义。最后了解了微指令的具体意义，并一步步调试波形，寻找错误，在周二中午总算完成了