计算机组成与结构TDCMA课程设计.docx

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计算机组成与结构TDCMA课程设计

计算机组成与结构TD-CMA课程设计

计算机组成与结构课程设计说明书

题目：

基于TD–CMA实验教学系统的

模型计算机的设计与实现

学生姓名：

艾有昫

《计算机组成与结构课程设计》任务书

一、设计题目

基于TD–CMA实验教学系统的模型计算机的设计与实现

二、设计目的

计算机组成与结构课程设计是“计算机组成与结构”课程的后续设计性课程，通过设计一台模型计算机，使学生更好地理解计算机组成与结构课程的基本内容，掌握计算机设计与实现的基本方法，培养学生实验动手能力和创新意识，为以后进行计算机应用系统的设计与开发奠定基础。

三、设计任务

在西安唐都科教仪器公司研发、生产的TD–CMA实验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,简单输入／输出接口和设备。

要求学生自己定义一套简单的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法。

在计算机组成原理与系统结构实验系统上搭建模型计算机系统，完成运算器、微程序控制器的设计调试任务，并用所设计的指令系统编写一个实现简单功能的程序，在搭建的模型机系统上输入、调试和运行程序。

最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。

四、实验设备和环境

实验设备：

1．计算机组成原理与系统结构实验箱1台

2．PC机1台

软件环境：

1．操作系统：

WindowsXP

2．CMA（实验箱配套软件）

3．QuartusII4.2

五、设计内容和要求

根据设计任务的要求，结合时间进度安排和考核方面的因素，将本次设计内容分为五个部分，各部分的具体设计内容和要求如下：

第一部分模型计算机设计方案的制定

设计内容：

1．设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器、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，指出各个部分的功能和实现途径；

3．针对所设计的模型机系统，每组学生自己定义一套简单的指令系统，给出助记符指令格式，分配指令的机器代码，指出指令的功能；

4．写出设计方案。

设计要求：

1．所设计的模型计算机系统为8位模型机，运算器为8位运算器，数据总线和地址总线都为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．每组定义的指令系统为6至10条指令，必须包含本组运算器特有运算功能的指令，每组必须有两条以上指令与其他组不同；

3．每组提交设计方案，包括简单模型机的结构框图、指令系统、

第二部分运算器的设计与调试

设计内容：

1.自定义运算器的功能；

2.使用TD–CMA实验教学系统提供的大规模可编程逻辑器件CPLD（EMP1270），根据指令功能选择（确定）相应的算逻运算，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，实现相应功能；

3.在“计算机组成原理与结构实验系统”上调试和完成运算器的设计工作；

设计要求：

1．认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的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软件中建立的工程文件；

第三部分微程序控制器的设计与调试

设计内容：

1．编写出实现自定义指令系统的微程序；

2．将所编写的微程序存储到控制存储器中；

3．在TD–CMA实验教学系统平台上调试和完成微程序控制器的设计工作；

设计要求：

1．认真阅读实验教材，了解实验所用仪器和设备的使用方法及注意事项；

2．将所编写的微程序存储到控制存储器中；

3．用单步执行微指令方式执行微程序并观测所发出的控制信号；

4．每组编写的程序必须有助记符表示的汇编语言源程序，并把源程序翻译成机器指令代码，并记录相关实验结果；

5.提交微程序流程图、对应的二进制微代码表。

第四部分整机调试

设计内容：

1．全面深刻地分析西安唐都科教仪器公司的TD–CMA实验教学系统的组成与结构，为设计模型计算机系统作准备；

2．在TD–CMA实验教学系统平台下完成程序的写入、运行、调试。

3.连线搭建实现一个简单的模型计算机，包括CPU，存储器，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的功能。

设计要求：

1．提交简单模型机的接线图。

第五部分设计报告的撰写和答辩验收

设计内容：

1．在完成以上模型计算机系统的实验测试内容后，修改和完善设计方案和所画的电路原理图；

2．准备好自己搭建的模型机系统平台和相关的实验测试数据，接受指导教师的答辩验收工作；

3．每个学生写出一份完整的设计报告。

设计要求：

1．对所设计的模型机系统进行全面总结，完善设计内容；

2．在接受指导教师的答辩验收前，做好充分准备工作，包括平台准备，程序的输入，相关的测试数据整理等；

3．每个学生自己独立写出一份设计报告，设计报告必须计算机打印，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的制定

1天

第二部分运算器的设计与调试

3天

第三部分微程序控制器的设计与调试

3天

第四部分整机调试

1天

第五部分设计报告的撰写和答辩验收

2天

七、考核方式

考查，最终成绩包括设计报告（30%）、平时成绩（30%）、答辩验收（40%），课程最终成绩按照优、良、中、及格和不及格五分制评分。

八、参考资料

1．王爱英主编.计算机组成与结构（第四版）.北京：

清华大学出版社，2007

2．CMA用户手册；

3．CMA组成原理与系统结构

摘要

在本次课程设计实验中，我们组基于TD-CMA实验教学系统的模型计算机进行了设计与实现，在本次实验中我们小组构建了一个简单的模型机，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，并且可以实现简单的逻辑运算，本次实验中我们手动编写了二进制代码和微程序，使用QuartusII4.2对运算器进行设计及引脚分配，使用计算机组成原理与系统结构实验箱和PC机CMA对微程序与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”，“与”和“移位”。

一、设计题目

基于TD–CMA实验教学系统的模型计算机的设计与实现

二、设计目的

三、设计任务

在西安唐都科教仪器公司研发、生产的TD–CMA实验教学系统平台基础上，设计一个8位模型计算机系统，包括运算器，微程序控制器，存储器,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的指令系统，制定系统的设计方案和实现方法，画出所设计的模型机系统的电路原理图。

最后总结实验结果，完善所设计的模型机系统方案和电路图，写出完整的设计报告。

四、实验设备和环境

实验设备：

1．计算机组成原理与系统结构实验箱1台

2．PC机1台

软件环境：

操作系统：

Windows2000/WindowsXP

CMA（实验箱配套软件）QuartusII4.2

第一部分模型计算机设计方案的制定及实验设备接线图

一、

系统组成框图及实现

T3LDAR

PC-B#

T3MR#

LOADLDPC

T4LDAT4LDBIOY1IOW#

T3LDRT3

R0-B#R1-B#

IR=XX

tlT3

T4LDRT4LDRIOY0IOR#

控制信号MR#MYY#IOR#IOW3

本实验在CPU的基础上构建一个简单的模型机，包括输入输出单元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，如图1-1所示。

二、指令系统

助记符

机器指令码

说明

00010000（10H）

“INPUT”→R0

00100000（20H）

“INPUT”→R1

ADD

00110000（30H）

R01+R02→R01

MUL

01000000（40H）

R01*R02→R01

MOV

01010000（50H）

A右移一位→R01

01100000（60H）

R01或R02→R01

OUT

01110000（70H）

R0→OUT

HLT

10000000（80H）

HLT

第二部分运算器的设计与调试

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。

实现的一个8位自加1。

3.乘法器

4.右移一位运算器

说明：

把输入的高7位按低7位输出，第8位则输出0.

4.或运算器

说明：

输入的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实现数据存储及三态控制

三、编译结果及问题解决

出现问题：

1.分器件选用错误——更换器件

2.接线、器件重叠——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.接线与输入输出命名不全——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的设计与调试

1.微程序流程图

2.指令系统

助记符

机器指令码

说明

00010000（10H）

“INPUT”→R0

00100000（20H）

“INPUT”→R1

ADD

00110000（30H）

R01+R02→R01

MUL

01000000（40H）

R01*R02→R01

MOV

01010000（50H）

A右移一位→R01

01100000（60H）

R01或R02→R01

OUT

01110000（70H）

R0→OUT

HLT

10000000（80H）

HLT

3.二进制微代码

4.调试过程中遇到的问题及解决

a.在设计运算器电路时，对于quartus2软件的不熟悉，以及ALU运算器整体各个部件的功能理解很混乱。

在老师的讲解下终于明白了。

b.在验证时对于接线有时由于不太仔细连错了，对于以后的操作造成了很大的影响。

c.对于微指令是我在这一次试验中所遇到的最大的困难，在董老师的耐心指导下，终于明白了。

d.微指令代码中控制信号在没有运算的时候就配置了。

只有运算的时候才分配置

e．运算器调试的时候数据无法打入，在老师的指导下解决问题。

第四部分简单模型计算机的设计与实现

1.设备接线

图4-1接线图

2.使用的数据。

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

第五部分实验总结与实验心得

通过此次课程设计，我认识到团队合作的重要性。

和“人丑就要多读书”一个道理，如果会的不多，就要比别人多投入精力，投入时间来获得和别人同等的效果。

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实验所不了解的计算机方面的知识，了解了微指令代码的运算与实践，还体会到实践出真知这一真理。

收获了自己努力的成果与喜悦。

本次课程设计的主要任务是为现有的模型机设计指令系统以使其能够完成一定的运算功能，以巩固和实践本学期所学习的理论知识。

我体验到了指令在实际编程中的工作方式，加深了对机器指令的理解。

通过实验使我对计算机的内部构造有了更加深刻的认识。

使我对计算机逻辑部件和指令系统有了深入的了解。

更加全面的了解了计算机各部件间通过控制系统的控制协调有效地完成各种功能。

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