金炎秋組原課程設(shè)計(jì)

1、南通大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)說明書 姓 名： 金炎秋 學(xué) 號(hào)： 1113122036 班 級(jí)： 軟外112 指導(dǎo)教師： 陳 越 上機(jī)日期： 2012.7.6-7.8目錄1 課程設(shè)計(jì)目的-32 課程設(shè)計(jì)要求-33 實(shí)驗(yàn)環(huán)境-34 設(shè)計(jì)思路-35 實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容-4（1）I/O設(shè)備-4（2）存儲(chǔ)器模塊-4（3）運(yùn)算器模塊-7（4）微程序控制器-7（5）程序計(jì)數(shù)器-13（6）時(shí)序發(fā)生器-146 參考文獻(xiàn)-177 問題及心得-17 微程序控制的模型計(jì)算機(jī)一、課程設(shè)計(jì)目的1融會(huì)貫通教材各章的內(nèi)容，通過知識(shí)的綜合運(yùn)用，加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，加深計(jì)算機(jī)工作

2、中“時(shí)間-空間”概念的理解，從而清晰地建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。2學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和調(diào)試計(jì)算機(jī)的基本步驟和方法，培養(yǎng)科學(xué)研究的獨(dú)立工作能力，取得工程設(shè)計(jì)和調(diào)試的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。二、課程設(shè)計(jì)要求1根據(jù)給定的數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一臺(tái)微程序控制的模型計(jì)算機(jī)。2根據(jù)設(shè)計(jì)圖，在QUARTUS II環(huán)境下仿真調(diào)試成功。3在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，整理出設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)文件，包括：（1）總框圖（數(shù)據(jù)通路圖）；（2）微程序控制器邏輯圖；（3）微程序流程圖；（4）微程序代碼表；（5）設(shè)計(jì)說明書及工作小結(jié)。三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境（軟硬件平臺(tái)）32位Windows操作系統(tǒng)+Quartus II四、設(shè)計(jì)思路1、 運(yùn)算器：由1位全加器采用行波進(jìn)位方

3、法設(shè)計(jì)的8位補(bǔ)碼加/減法運(yùn)算器，可以進(jìn)行加減法運(yùn)算與邏輯運(yùn)算。由DR1、DR2兩個(gè)寄存器提供操作數(shù)。2、 存儲(chǔ)器：分為ROM模塊和RAM模塊，容量均為128*8位。3、 程序計(jì)數(shù)器：用2個(gè)74163構(gòu)成的8位計(jì)數(shù)器，采用同步反饋法連接，可以實(shí)現(xiàn)PC+1以及定位跳轉(zhuǎn)的功能。計(jì)數(shù)器輸出端連一片74244b來實(shí)現(xiàn)三態(tài)輸出。4、 微程序控制器：由控制存儲(chǔ)器（epROM）、微地址寄存器、地址邏輯轉(zhuǎn)移、微命令寄存器、指令寄存器（IR）構(gòu)成。5、 I/O設(shè)備：由一個(gè)輸入緩沖（74244b）作控制來實(shí)現(xiàn)總線上的三態(tài)輸入。6、 時(shí)序發(fā)生器：由一片74161和一片74138構(gòu)成，可以產(chǎn)生6個(gè)節(jié)拍脈沖，具有啟停控制

4、端。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大體分為16個(gè)模塊的制作，接下來將逐個(gè)模塊展開研究并附上各個(gè)模塊的邏輯電路圖以及必要的調(diào)試波形圖。1. I/O設(shè)備數(shù)據(jù)由IN輸入先經(jīng)一個(gè)74244b做數(shù)據(jù)輸入緩沖器，再存入數(shù)據(jù)輸入寄存器（R0，74374b構(gòu)成）中?？蓪?shí)現(xiàn)一個(gè)八位數(shù)據(jù)的打入以及控制保存。使能端真值表如下：74244b74374bInputsOutputInputsOutputnsw-busINDBUSnR0-BUSLDR0DBUSQLLLHXXZLHHLXXXHXZLLLLHHLLXQ0l 邏輯電路連接圖如下：2. 存儲(chǔ)器模塊（ROM、RAM、DR1、DR2、IR）DR1、DR2、IR部件均為73

5、273b作相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器1、數(shù)據(jù)寄存器2以及指令寄存器。ROM模塊與RAM模塊容量均為128 x 8位。對(duì)RAM及ROM模塊的分析見下頁。ROM模塊l ROM部件為一片128x8位的lpm_rom連一個(gè)74244b組成。由于地址總線ABUS為8根，故抽出高位（Address7）做片選。【注】當(dāng)Address7為0時(shí)，ROM-inclock與ROM-outclock均可以置入，即相當(dāng)于片選信號(hào)選中ROM存儲(chǔ)區(qū)域，此時(shí)可以對(duì)ROM進(jìn)行讀操作。 當(dāng)ROM數(shù)據(jù)讀出后，需經(jīng)過一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器才可以穩(wěn)定的輸出，故連接一個(gè)74244b芯片。再置一個(gè)ROMOUT來控制數(shù)據(jù)往總線上的輸出，確?？偩€上的數(shù)據(jù)整齊有

6、序。l 封裝后的ROM芯片：InputsOutputROM-inclockROM-outclockAddressROMOUTq0xxxxxxxLData0xxxxxxxHZxxZRAM模塊l RAM部件為一片128x8位的lpm_ram連一個(gè)74244b組成。由于地址總線ABUS為8根，故抽出高位（Address7）做片選?！咀ⅰ慨?dāng)Address7為1時(shí)，RAM-inclock與RAM-outclock均可以置入，即相當(dāng)于片選信號(hào)選中RAM存儲(chǔ)區(qū)域，此時(shí)可以對(duì)RAM進(jìn)行讀/寫操作。 RAM的讀/寫操作控制信號(hào)： 【讀】we置0，inclock給上升沿脈沖，地址就緒，outclock給上升沿脈沖

7、，數(shù)據(jù)讀出?！緦憽縲e置1，地址就緒，inclock給上升沿脈沖完成數(shù)據(jù)寫入。當(dāng)RAM數(shù)據(jù)讀出后，需經(jīng)過一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器才可以穩(wěn)定的輸出，故連接一個(gè)74244b芯片。再置一個(gè)RAMOUT來控制數(shù)據(jù)往總線上的輸出，確?？偩€上的數(shù)據(jù)整齊有序。l 封裝后的RAM芯片：InputsOutputRAM-inclockRAM-outclockAddressRAMOUTq1xxxxxxxL（讀）Data1xxxxxxxH寫操作xxZ3. 運(yùn)算器模塊（ALU）8位補(bǔ)碼加/減法運(yùn)算器電路連接圖如下：【注】A為操作數(shù)1（八位二進(jìn)制碼）；B為操作數(shù)2（八位二進(jìn)制碼）。M=0時(shí)，做加法運(yùn)算；M=1時(shí)，做減法運(yùn)算。Y=0

8、時(shí)，表示無溢出；Y=1時(shí)，表示溢出。4. 微程序控制器（MCU）l 微指令格式本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用5條機(jī)器指令，其格式與功能說明如下：7 6543210IN0 0100000ADD01000000ASTA01100000AOUT10000000AJMP10100000AIN指令為單字長（字長為8bits）指令，其功能是將數(shù)據(jù)開關(guān)的8位數(shù)據(jù)輸入到R0寄存器。ADD指令為雙字長指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器的內(nèi)容與內(nèi)存中地址為A的數(shù)相加，結(jié)果存放在R0寄存器中。STA指令為雙字長指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將R0寄存器中的內(nèi)容存儲(chǔ)到以第二個(gè)字

9、為地址的內(nèi)存單元中。OUT指令為雙字長指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是將內(nèi)存中以第二個(gè)字為地址的內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)讀出到數(shù)據(jù)總線，顯示之。JMP指令為雙字長指令，第一個(gè)字為操作碼，第二個(gè)字為操作數(shù)地址，其功能是程序無條件轉(zhuǎn)移到第二個(gè)字指定的內(nèi)存單元地址。l 微程序控制器原理圖l 微控制信號(hào)說明： nROM_BUS：ROM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。 nRAM_BUS：RAM數(shù)據(jù)輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。 m：加、減法選擇控制信號(hào)，為1做加法，為0做減法。 nSW_BUS：數(shù)據(jù)輸入到總線控制信號(hào)，低電平有效。 LDN：PC置數(shù)控制信號(hào)，低電平有效。 nCS：RA

10、M片選信號(hào)。（此信號(hào)的有效值根據(jù)所用RAM器件特性來定） WE：RAM寫信號(hào)，高電平時(shí)做寫操作。 LDR0：數(shù)據(jù)打入R0鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 LDDR1：數(shù)據(jù)打入R1鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 LDDR2：數(shù)據(jù)打入R2鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 LDIR：數(shù)據(jù)打入IR鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 LDPC：數(shù)據(jù)打入PC鎖存控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 LDAR：數(shù)據(jù)打入AR控制信號(hào)，脈沖上升沿有效。 nALU_BUS：運(yùn)算器ALU結(jié)果輸出到總線控制信號(hào)，低電平有效。 nPC_BUS，低電平有效。 nR0_BUS，低電平有效。l 地址轉(zhuǎn)移邏輯電路圖如下：l 地址轉(zhuǎn)移邏輯電路圖信

11、號(hào)說明： swe信號(hào)：總清信號(hào) srd信號(hào)：總清信號(hào) p1信號(hào)：譯碼判別位 ad4ad0信號(hào)：微地址（控制存儲(chǔ)器地址） ir7ir5信號(hào)：操作碼 clr信號(hào)：總清信號(hào) t2、t4信號(hào)：節(jié)拍脈沖l 微指令格式設(shè)計(jì)如下：l 微程序流程圖如下：01 00 00000000015 12 11 1E 0D 0F 0B 0A 0914100C08 04 JMPOUTSTAADDIN運(yùn)行微程序PCBUS BUS ARPC+1RAMBUSBUSIRP(1)PCARPC+1RAMBUSBUSARR0BUSBUSRAMPCARPC+1RAMBUSBUSARRAMBUSPCARPC+1RAMBUSBUSPCPCAR

12、PC+1RAMBUSBUSARRAMBUSBUSDR2R0DR2(DR1)+(DR2)R0SWR0l 微代碼表設(shè)計(jì)如下：212019181716151413121110987654 3 2 1 0地址微 指 令nROM-BUSnRAM-BUSmnSW-BUSLDNnCSWELDR0LDDR1LDDR2LDIRLDPCLDARnALU-BUSnPC-BUSnR0-BUSP(1)Ad4Ad3Ad2Ad1Ad000000取指100001000011101010000000001MOVR1010001000001101001000000010MOVR201000100 0001101001000100

13、011IN000100010000000000000000100ADD000000010000010000000000101STA010001000001101000111100110OUT010001000001101001001000111JMP010011000000101000000001000SUB000000010000010000000001001AND000000010000010000000001010OR000000010000010000000001011XOR000000010000010000000001100NOTR1000000010000010000000001

14、101NOTR2000000010000010000000001110000000010000010000000001111STA-2000000100000000100000010000MOVR1-2000001001000000000000010001MOVR2-2000001000100000000000010010OUT-20000010000000000000000【注】高兩位棄用，表中未寫出，默認(rèn)全為零微程序電路設(shè)計(jì)圖如下：l 封裝后的微程序控制器模塊如下：5. 程序計(jì)數(shù)器（PC）l 程序計(jì)數(shù)器（PC）的邏輯電路連接圖如下：l 封裝后的程序計(jì)數(shù)器（PC）如下：l 測(cè)試程序計(jì)數(shù)器（P

15、C）功能的波形圖如下：6. 時(shí)序發(fā)生器（TCU）l 時(shí)序發(fā)生器（TCU）的邏輯電路連接圖如下：l 封裝后的時(shí)序發(fā)生器（TCU）芯片圖如下：一、 模塊組裝通路及運(yùn)行結(jié)果l 數(shù)據(jù)通路邏輯電路圖如下： 【注】運(yùn)算器；存儲(chǔ)器；輸入設(shè)備；控制器。l 調(diào)試波形圖如下：六、參考文獻(xiàn)1 白中英計(jì)算機(jī)組成原理北京：科學(xué)出版社，2006。2 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）北京：高等教育出版社，2008。7、 問題及心得經(jīng)過這次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)我對(duì)機(jī)器指令及微指令的的編碼方法不了解，對(duì)計(jì)算機(jī)的組成和工作原理也不是很理解。如果不是之前學(xué)數(shù)電時(shí)還有些了解，那么我想這次實(shí)驗(yàn)很可能沒有辦法完成。計(jì)算機(jī)組成原理是一門深?yuàn)W的課程，

16、我們要不斷的努力來充實(shí)自己，掌握更多的知識(shí)。實(shí)驗(yàn)過程中我和同學(xué)們相互交流再結(jié)合課本相互探討，逐漸理解了計(jì)算機(jī)的組成和工作原理，基本掌握的機(jī)器指令和微指令編碼方法。然后，在連接原理圖時(shí)也出現(xiàn)了許多的問題，有時(shí)是一些些小問題，比如總線的連接時(shí)沒有一一對(duì)應(yīng)等等，經(jīng)過仔細(xì)的改正之后都能得到正確的結(jié)果了。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，將結(jié)論用于實(shí)踐，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次課程設(shè)計(jì)