简单运算器的数据通路课程设计.doc

编 号：
B04911053

学 号：

课 程 设 计

教 学 院
计算机学院
课程名称
计算机组成原理课程设计
题 目
简单运算器数据通路的设计
专 业
计算机科学与技术
班 级
计算机科学与技术（3）班
姓 名
廖万君
同组人员
刘政华 刘涛 陈茂源
指导教师
高 芹

2013
年
1
月
22
日

课程设计任务书
2012～2013学年第 1 学期
学生姓名： 廖万君 专业班级： 计算机科学与技术（3）班
指导教师： 杨斐 工作部门： 计算机学院
一、课程设计题目 简单运算器数据通路的设计
二、课程设计内容（含技术指标）
1．利用QUARTUS软件设计一个8位简单运算器数据通路。
2. 运算器可实现两个8位二进制数的加法、减法、传送运算三种运算。
3. 包括R1、R2、R3三个通用寄存器和DR。
4. 数据有IN输入，经过运算后结果写入某寄存器中。同时将结果显示在数码管上。
总体框图参考下图：

三、进度安排
1. 2012年12月29日，课题讲解，布置任务
2. 2012年12月30日到2013年1月4日，查阅资料，分析、讨论与设计
3. 2013年1月5日到8日，进行各子模块的设计，并进行调试
4. 2013年1月9日到10日完成各模块联调，进行测试
5. 2013年1月11日，成果验收，进行答辩
四、基本要求
（1） 能够熟练掌握计算机中运算器和寄存器之间数据通路的工作原理；
（2） 掌握硬件描述语言VHDL及原理图设计方法；
（3） 熟练掌握Quartus II软件平台；
（4） 各小组按模块分工，每人独立完成自己负责的模块；
（5） 合作完成最终的硬件下载及调试；
（6） 独立撰写符合要求的课程设计报告。

3

1 课程设计概述
1.1 课设目的
计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。
通过对知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，建立计算机整机概念。对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解,加深对理论课程的理解。锻炼学生的独立思考和动手能力。
1.2 设计任务
本课程设计的题目是简单运算器数据通路。
具体设计任务如下：
（7） 利用QUARTUS软件设计一个8位简单运算器数据通路。
（8） 运算器可实现两个8位二进制数的加法、减法、传送运算三种运算。
（9） 包括R1、R2、R3三个通用寄存器和DR。
（10） 数据有IN输入，经过运算后结果写入某寄存器中。同时将结果显示在数码管上。
1.3 设计要求
根据理论课程所学的至少，设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统，具体要求如下：
（1） 能够熟练掌握计算机中运算器和寄存器之间数据通路的工作原理；
（2） 掌握硬件描述语言VHDL及原理图设计方法；
（3） 熟练掌握Quartus II软件平台；
（4） 各小组按模块分工，每人独立完成自己负责的模块；
（5） 合作完成最终的硬件下载及调试；
（6） 独立撰写符合要求的课程设计报告。

2 实验原理与环境
2.1 实验原理
计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算，这个功能要由CPU中的运算去来实现，运算器也称作算术逻辑部件ALU。算术逻辑运算部件ALU主要完成二进制代码的定点算术和逻辑运算，有时也叫多功能函数发生器。
总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是计算机各部件之间进行信息传输的公共通路。总线不只是一组简单的信号传输线，它还是一组协议。分时与共享是总线的两大特征。所谓共享，在总线上可以挂接多个部件，它们都可以使用这一信息通路来和其它部件传送信息。所谓分时，同一总线在同一时刻，只能有一个部件占领总线发送信息，其它部件要发送信息得在该部件发送完释放总线后才能申请使用。总线结构是决定计算机性能、可扩展和标准化程度的重要因素。
2.2 实验环境
计算机组成原理教学试验仪，PC机，TD-CMA试验系统。

3 总体方案设计
3.1 需求分析
运算器可以实现两个8位二进制的加法、减法、传送运算三种运算，同时接收来自两个选择器的数据，ALU对操作数进行何种运算由控制信号＋、－和M决定，但任何时候ALU只能选择其中一种运算。由于存储器和输入输出设备最终是要挂在总线上，所以需要总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。
首先，设计三个8位的寄存器和DR，通过控制信号来判断输入；然后，用三选一的选择器分别从R1、R2、R3和DR中选择一个信号输入到X、Y；最后，将X和Y的值传送到ALU中，分别用一个信号控制，来进行+、-或者M运算，再将结果输出。
3.2 硬件设计
3.2.1 总体设计
利用QUARTUS软件设计一个8位简单运算器数据通路，包括R1、R2、R3三个通用寄存器和DR。 数据有IN输入，经过运算后结果写入某寄存器中。同时将结果显示在数码管上。
总体结构图如图表 3.1所示：

图表 3.1简单运算器通路总体框架图

3.2.2 寄存器
设计了三个寄存器R1、R2和R3，用来存放IN输入的数据，由输入端1，2和3分别进行控制数据的存放。
3.2.3 控制器
需要两个三选一控制器，其中一个控制器由微操作4、6和8分别控制R1、R2和DR的输出，另一个控制器由微操作5、7和9分别控制R1、R2和R3的输出，三选一控制器相应的控制操作如表格 3.1所示。

表格 3.1三选一控制器相应的控制操作
部件
信号序号
控制输出
说明
三选一
选择器（左）
4
R1
信号4、6、8互斥，每次只输入一个信号
6
R2
8
DR
三选一
选择器（右）
5
R1
信号5、7、9互斥，每次只输入一个信号
7
R2
9
R3

3.2.4 ALU逻辑处理单元
ALU的操作（加、减和传送）在同一个CPU周期内只能单独地选择一种进行预算，控制信号“+”控制“X+Y”的输出，控制信号“-”控制“X-Y”的输出，控制信号“M”控制“X”的输出，ALU相应的控制操作如表格 3.2所示。
表格 3.2ALU相应的控制操作
部件
运算
控制信号
控制输出
说明
ALU
（运算器）
Add
+
Z=X+Y
每次只能单独进行一种运算

Subtraction
-
Z=X-Y
Move
M
Z=X

4 详细设计与实现
4.1 选用芯片
4.1.1 EMP240T100C5
系统采用的芯片是 MAX II：EMP240T100C5这款芯片，它是一款可编程芯片，其总体的原理图参见图表 4.1。
图表 4.1基本原理图

4.2 硬件实现
4.2.1 硬件原理图
本次我们采用的是方案是微程序控制，实现一个8位简单运算器数据通路的设计，硬件原理图如图表 4.2所示。
图表 4.2硬件原理图

4.2.2 运算通路实现
（1）使用的VHDL语言如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY alu1 IS
PORT (
add:IN STD_lOGIC;
x:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
y:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
substrance:IN STD_LOGIC;
m:IN STD_LOGIC;
cout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END ENTITY alu1;

ARCHITECTURE aluStruct OF alu1 IS

BEGIN
PROCESS(add,substrance,m,x,y)
BEGIN
IF M='1'
THEN cout<=x;
ELSE IF add='1'
THEN cout<=x+y;
ELSE IF substrance='1'
THEN cout<=x-y;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END aluStruct;
（2）通过VHDL语言设计的ALU如图表 4.3所示。
图表 4.3ALU

4.2.3 寄存器实现
（1）使用的VHDL语言如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY solution IS
PORT (
d:IN STD_lOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
lda:IN STD_LOGIC;
q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END ENTITY solution;

ARCHITECTURE bhv OF solution IS

BEGIN
PROCESS(d,lda)
BEGIN
IF lda='1'
THEN q<=d;
END IF;
END PROCESS;
END bhv;
（2）通过VHDL语言设计的寄存器如图表 4.4所示。
图表 4.4寄存器

4.2.4 选择通路实现
（1）三选一控制器具体的VHDL语言如下：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY selectOne IS
PORT (
in1:IN STD_lOGIC;
in2:IN STD_LOGIC;
in3:IN STD_LOGIC;
cout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
cin1:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
cin2:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
cin3:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END ENTITY selectOne;

ARCHITECTURE choose OF selectOne IS

BEGIN
PROCESS(in1,in2,in3,cin1,cin2,cin3)
BEGIN
IF in1='1'
THEN cout<=cin1;
ELSE IF in2='1'
THEN cout<=cin2;
ELSE IF in3='1'
THEN cout<=cin3;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END choose;
（2）通过VHDL语言设计的三选一控制器如图表 4.5所示。
图表 4.5 三选一控制器

5 实验过程与调试
5.1 仿真
测试数据用的是十六进制的22和16，对应的十进制数据是34和22。分别进行了加、减、M运算，加运算的仿真图见图表 5.1，减运算的仿真图见图表 5.2，M运算这里取的是第一个操作数，仿真图见图表 5.3。

图表 5.1加法仿真图

图表 5.2减法仿真图

图表 5.3M运算仿真图

5.2 主要故障与调试
5.2.1 故障1
故障：ALU逻辑控件的编写时后，VHDL报错。
解决方案：用加法减法等运算时，需要在VHDL代码的文件头加上
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;语句。
5.2.2 故障2
故障：设计完成后，无法连接到计算机。
解决方案：安装相应的驱动。
5.3 实验流程图
（1） 2012年12月29日，课题讲解，布置任务；
（2） 2012年12月30日到2013年1月4日，查阅资料，分析、讨论与设计；
（3） 2013年1月5日到8日，进行各子模块的设计，并进行调试；
（4） 2013年1月9日到10日完成各模块联调，进行测试；
（5） 2013年1月11日，成果验收，进行答辩。

6 设计总结与心得
6.1 课设总结
基于对象的存储是为了克服当前基于块的存储存在的诸多难题，在存储接口和结构层次的重要发展。可以根据应用负载选择优化的存储策略。作了如下几点工作：
1） 运算器是计算机中对数据进行运算操作的重要部件，它的核心是算数逻辑单元ALU，可以通过选用ALU不同的控制信号，运算器可以完成不同的运算功能。
2） 编写VHDL语言设计出寄存器、三选一控制器、ALU逻辑处理单元，快速而又方便。最终的结果通过仿真进行加、减和传送的实现。
6.2 课设心得
初次接触计算机组成原理课程设计时，加上电子技术学的不怎么样，感觉还是有点难的，但是随着老师耐心地讲解，课程设计实验慢慢地向前进展，发现实验本身其实并不是我们想象的那么困难，只是自己没有了解各部件实现的功能。通过这次实验，自己更清楚的明白了如何用VHDL语言快速而又方便地设计出寄存器、三选一控制器、ALU逻辑处理单元，而且进一步熟悉了计算机的数据通路原理，加深了对理论知识的学习，这也很好的为在以后的学习中奠定了实践基础。
本次实验中由于组员间协调的合作，实验操作过程也不会那么的复杂、繁琐，使得这次实验的过程很有趣，并且让我们对机器内部数据通路的理解有更进一步的启发。同时，使我对专业知识有了更深的了解，也激发了我对学习的兴趣，从中积累了宝贵的实践操作经验。
参考文献
[1] 秦磊华，王小兰. 计算机组成原理实验指导及课程设计指导书(基于EDA平台). 武汉：华中科技大学出版社，2010年。
[2] 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，2011年。
[3] DAVID A.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).北京：机械工业出版社. 2007年。
[4] 袁春风编著. 计算机组成与系统结构. 北京：清华大学出版社，2011年。
[5] 张志刚，FPGA 与SOPC 设计教程-DE2 实践. 西安：电子科技大学出版社，2007年。

计算机组成原理 课程设计成绩评定表
1、课程设计答辩或质疑记录
1）

2）

3）

2、答辩情况
a）未能完全理解题目，答辩情况较差 □ c）理解题目较清楚，问题回答基本正确 □
b）部分理解题目，答辩情况较差 □ d）理解题目透彻，问题回答流利 □
3、课程设计报告
a）内容： 不完整 □ 完整 □ 详细 □
b）方案设计： 较 差 □ 合理 □ 非常合理 □
c）实现： 未实现 □ 部分实现 □ 全部实现 □
d）文档格式： 不规范 □ 基本规范 □ 规范 □
考勤成绩： ，
占总成绩比例10%
答辩成绩： ，
占总成绩比例30%
课程设计论文成绩： ，
占总成绩比例60%
课程设计总成绩：
4、课程设计评语

指导教师签字：
年 月 日