计算机组成与结构TDCMA专业课程设计.doc

计算机组成和结构课程设计说明书

（此份试验汇报数据正确）

（而且得到了正确运行结果）

（各位亲们放心使用）

题 目：基于TD–CMA试验教学系统
模型计算机设计和实现
学生姓名：艾有昫

目录
摘要 1
一、设计题目 2
二、设计目标 2
三、设计任务 2
四、试验设备和环境 2
第一部分 模型计算机设计方案制订及试验设备接线图 3
一、 系统组成框图及实现 3
二、 指令系统 3
第二部分 运算器设计和调试 4
一、设计构思 4
二、运算器原理图 4
三、电路设 4
1.加法器（8位） 4
2.一位全加器电路图 5
3.右移一位运算器 5
4.和运算器 6
5.总体电路 6
四、编译结果及问题处理 6
第三部分 微程序控制器设计和调试 7
1.微程序步骤图 7
2.指令 7
3.二进制微代码 8
4.调试过程中碰到问题及处理 8
第四部分 简单模型计算机设计和实现 9
1.设备接线 9
2.使用数据。 9
第五部分 试验总结和试验心得 11

《计算机组成和结构课程设计》任务书
一、设计题目
基于TD–CMA试验教学系统模型计算机设计和实现
二、设计目标
计算机组成和结构课程设计是“计算机组成和结构”课程后续设计性课程，经过设计一台模型计算机，使学生愈加好地了解计算机组成和结构课程基础内容，掌握计算机设计和实现基础方法，培养学生试验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统设计和开发奠定基础。
三、设计任务
在西安唐全部科教仪器企业研发、生产 TD–CMA 试验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包含运算器，微程序控制器，存放器,简单输入／输出接口和设备。要求学生自己定义一套简单指令系统，制订系统设计方案和实现方法。
在计算机组成原理和系统结构试验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器设计调试任务，并用所设计指令系统编写一个实现简单功效程序，在搭建模型机系统上输入、调试和运行程序。最终总结试验结果，完善所设计模型机系统方案和电路图，写出完整设计汇报。
四、试验设备和环境
试验设备：
1．计算机组成原理和系统结构试验箱 1台
2．PC机 1台
软件环境：
1． 操作系统： Windows XP
2． CMA（试验箱配套软件）
3． QuartusII4.2
五、设计内容和要求
依据设计任务要求，结合时间进度安排和考评方面原因，将此次设计内容分为五个部分，各部分具体设计内容和要求以下：
第一部分 模型计算机设计方案制订
设计内容：
1．设计一个8位模型计算机系统，包含运算器，微程序控制器，存放器、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，指出各个部分功效和实现路径；
3．针对所设计模型机系统，每组学生自己定义一套简单指令系统，给出助记符指令格式，分配指令机器代码，指出指令功效；
4．写出设计方案。
设计要求：
1．所设计模型计算机系统为8位模型机，运算器为8位运算器，数据总线和地址总线全部为8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．每组定义指令系统为6至10条指令，必需包含本组运算器特有运算功效指令，每组必需有两条以上指令和其它组不一样；
3．每组提交设计方案，包含简单模型机结构框图、指令系统、

第二部分 运算器设计和调试
设计内容：
1.自定义运算器功效；
2.使用TD–CMA 试验教学系统提供大规模可编程逻辑器件 CPLD（EMP1270），依据指令功效选择（确定）对应算逻运算，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，实现对应功效；
3.在“计算机组成原理和结构试验系统”上调试和完成运算器设计工作；
设计要求：
1．认真阅读试验教材，了解试验所用仪器和设备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软件中建立工程文件；

第三部分 微程序控制器设计和调试
设计内容：
1．编写出实现自定义指令系统微程序；
2．将所编写微程序存放到控制存放器中；
3．在TD–CMA 试验教学系统平台上调试和完成微程序控制器设计工作；
设计要求：
1．认真阅读试验教材，了解试验所用仪器和设备使用方法及注意事项；
2．将所编写微程序存放到控制存放器中；
3．用单步实施微指令方法实施微程序并观察所发出控制信号；
4．每组编写程序必需有助记符表示汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并统计相关试验结果；
5. 提交微程序步骤图、对应二进制微代码表。

第四部分 整机调试
设计内容：
1．全方面深刻地分析西安唐全部科教仪器企业 TD–CMA 试验教学系统组成和结构，为设计模型计算机系统作准备；
2． 在TD–CMA 试验教学系统平台下完成程序写入、运行、调试。
3. 连线搭建实现一个简单模型计算机，包含CPU，存放器，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（MC）、通用寄存器，指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成。
5.调试并实现简单模型计算机功效。
设计要求：
1． 提交简单模型机接线图。
第五部分 设计汇报撰写和答辩验收
设计内容：
1．在完成以上模型计算机系统试验测试内容后，修改和完善设计方案和所画电路原理图；
2．准备好自己搭建模型机系统平台和相关试验测试数据，接收指导老师答辩验收工作；
3．每个学生写出一份完整设计汇报。
设计要求：
1．对所设计模型机系统进行全方面总结，完善设计内容；
2．在接收指导老师答辩验收前，做好充足准备工作，包含平台准备，程序输入，相关测试数据整理等；
3．每个学生自己独立写出一份设计汇报，设计汇报必需计算机打印，要求设计方案和指导思想正确，格式规范，内容全方面，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制订
1天
第二部分 运算器设计和调试
3天
第三部分 微程序控制器设计和调试
3天
第四部分 整机调试
1天
第五部分 设计汇报撰写和答辩验收
2天
七、考评方法
考查，最终成绩包含设计汇报(30%)、平时成绩(30%)、答辩验收(40%)，课程最终成绩根据优、良、中、及格和不及格五分制评分。
八、参考资料
1． 王爱英主编. 计算机组成和结构（第四版）. 北京：清华大学出版社，
2． CMA用户手册；
3． CMA组成原理和系统结构

摘要
在此次课程设计试验中，我们组基于TD-CMA试验教学系统模型计算机进行了设计和实现，在此次试验中我们小组构建了一个简单模型机，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，而且能够实现简单逻辑运算，此次试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和系统结构试验箱和PC机CMA对微程序和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”，“和”和“移位”。

一、设计题目
基于TD–CMA试验教学系统模型计算机设计和实现
二、设计目标
计算机组成和结构课程设计是“计算机组成和结构”课程后续设计性课程，经过设计一台模型计算机，使学生愈加好地了解计算机组成和结构课程基础内容，掌握计算机设计和实现基础方法，培养学生试验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统设计和开发奠定基础。
三、设计任务
在西安唐全部科教仪器企业研发、生产 TD–CMA 试验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包含运算器，微程序控制器，存放器,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指令系统，制订系统设计方案和实现方法，画出所设计模型机系统电路原理图。
在计算机组成原理和系统结构试验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器设计调试任务，并用所设计指令系统编写一个实现简单功效程序，在搭建模型机系统上输入、调试和运行程序。最终总结试验结果，完善所设计模型机系统方案和电路图，写出完整设计汇报。
四、试验设备和环境
试验设备：1．计算机组成原理和系统结构试验箱 1台
2．PC机 1台
软件环境：
操作系统：Windows/Windows XP
CMA（试验箱配套软件） QuartusII4.2

第一部分 模型计算机设计方案制订及试验设备接线图
一、 系统组成框图及实现

AR=XX

CS
MEM=XX
T3 LDAR

ALU
PC-B#
PC=XX

T3 MR#
OUT=XX
T4
B=XXX
A=XXX
LOAD LDPC

T4 LDA T4 LDB IOY1 IOW#

T3 LDR T3
IR=XX
R0-B# R1-B#
R1=XXX
R0=XX
WR
RD
IOM
IN=XX
IR=XX

控制器

t l T3
T4 LDR T4 LDR IOY0 IOR#

控 制 信 号 MR# MYY# IOR# IOW3

本试验在CPU基础上构建一个简单模型机，包含输入输出单元MEM单元和CPU组成。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CPLD又有2个寄存器R0和R1组成，2个暂存器A和B组成，图1-1所表示。

二、 指令系统

助记符
机器指令码
说明
IN
0001 0000 (10H)
“INPUT”→R0
IN
0010 0000 (20H)
“INPUT”→R1
ADD
0011 0000 (30H)
R01+R02→R01
MUL
0100 0000 (40H)
R01* R02→R01
MOV
0101 0000 (50H)
A右移一位→R01
OR
0110 0000 (60H)
R01或 R02→R01
OUT
0111 0000 (70H)
R0→OUT
HLT
1000 0000(80H)
HLT

第二部分 运算器设计和调试
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+B，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

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。实现一个8位自加1。
3.乘法器

4.右移一位运算器

说明：把输入高7位按低7位输出，第8位则输出0.
4.或运算器

说明：输入两个数各个位对应或运算。
5.总体电路

总体横图

总体叠图

6. 74244芯片

图2.3.

74244实现数据存放及三态控制
三、 编译结果及问题处理
出现问题：
1. 分器件选择错误——更换器件
2. 接线、器件重合——调整接线，分离器件
3. 粗线细线混用——单输出用细线，多输出用粗线
4. 接线和输入输出命名不全——分别对应命名
5. 移位运算输入输出——差分一位
编译结果：0错误，6警告。第三部分 微程序控制器设计和调试
1.微程序步骤图
01
MEM→IR
P(1)==1
R0→A
R1→B
A+B→R0
IN→R0
IN→R1
R0→A
R1→B
A*B→R0
03
33
04
10
36
11
31
32
37
01
01
ADD
MUL
INR0
INR1
OUTR0
指令译码
01
R0→A

R0→A
++++→A
A右移一位→R0

A或B→R0
R1→B
01
R1→OUT
01
OR
MOV
01
35
34
NOP
00
06
07
12
R0→OUT
OUTR1
01
05
38
01
30

2.指令系统

助记符
机器指令码
说明
IN
0001 0000 (10H)
“INPUT”→R0
IN
0010 0000 (20H)
“INPUT”→R1
ADD
0011 0000 (30H)
R01+R02→R01
MUL
0100 0000 (40H)
R01* R02→R01
MOV
0101 0000 (50H)
A右移一位→R01
OR
0110 0000 (60H)
R01或 R02→R01
OUT
0111 0000 (70H)
R0→OUT
HLT
1000 0000(80H)
HLT

3.二进制微代码

4.调试过程中碰到问题及处理
a. 在设计运算器电路时，对于quartus 2软件不熟悉，和ALU运算器整体各个部件功效了解很混乱。在老师讲解下最终明白了。
b. 在验证时对于接线有时因为不太仔细连错了，对于以后操作造成了很大影响。
c.对于微指令是我在这一次试验中所碰到最大困难，在董老师耐心指导下，最终明白了。
d.微指令代码中控制信号在没有运算时候就配置了。只有运算时候才分配置
e．运算器调试时候数据无法打入，在老师指导下处理问题。
第四部分 简单模型计算机设计和实现
1.设备接线

图 4-1 接线图

2.使用数据。
从IN单元输入2到R0，从IN单元输入1到R1;
把2送到A，1送到B。
再2+1=3，存到R0=3。
再把3送到A，2送到B。
使3乘以2，存到R0。
输出R0=6。
再把6送到A。
使A向右移一位，存到3‘
将3存入R0，
输出R0=3。
把3送入A，把2送入B
将3和2进行或运算
得到3，将3送入RO
输出R0=3
第五部分 试验总结和试验心得
经过此次课程设计，我认识到团体合作关键性。和“人丑就要多读书”一个道理，假如会不多，就要比她人多投入精力，投入时间来取得和她人相同效果。不怕错误，有错多问，多改，多尝试。
此次课设我不仅知道了以前做试验所不了解计算机方面知识，了解了微指令代码运算和实践，还体会到实践出真知这一真理。收获了自己努力结果和喜悦。
此次课程设计关键任务是为现有模型机设计指令系统以使其能够完成一定运算功效，以巩固和实践本学期所学习理论知识。
我体验到了指令在实际编程中工作方法，加深了对机器指令了解。经过试验使我对计算机内部结构有了愈加深刻认识。使我对计算机逻辑部件和指令系统有了深入了解。愈加全方面了解了计算机各部件间经过控制系统控制协调有效地完成多种功效。