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1、计算机组成原理课程设计一、 课程设计题目：一台模型计算机的设计与调试二、 课程设计的目的：1、融会贯穿教材各章的内容，通过学问的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的生疏，加深计算机工作中“时间-空间”概念的理解， 从而清楚地建立计算机的整机概念。2、学习设计和调试计算机的根本步骤和方法，培育科学争论的独立工作力量， 取得工程设计和调试的实践和阅历。三、课程设计要求：1、依据给定的数据格式和指令系统，设计一台微程序掌握的模型计算机。2、依据设计图，在 QUARTUS II 环境下仿真调试成功。3、在调试成功的根底上，整理出设计图纸和相关文件，包括：A、总框图数据通路图；B、微程
2、序掌握器规律图；C、微程序流程图； D、微程序代码表；E、设计说明书；F、工作小结。四、课程设计报告内容：1、系统主要功能A、数据格式数据字规定承受定点整数补码表示法，字长 8 位，其中最高位为符号位，其格式如下：76543210符号位尾数B、指令格式本试验设计使用 5 条机器指令，其格式与功能说明如下：76543210IN00100000ADD01000000ASTA01100000AOUT10000000AJMP10100000AIN 指令为单字长字长为 8bits指令，其功能是将数据开关的 8 位数据输入到 R0 存放器。ADD 指令为双字长指令，第一个字为操作码，其次个字为操作数地址，
3、其功能是将R0 存放器的内容与内存中地址为A 的数相加，结果存放在R0 存放器中。STA 指令为双字长指令，第一个字为操作码，其次个字为操作数地址，其功能是将 R0 存放器中的内容存储到以其次个字为地址的内存单元中。OUT 指令为双字长指令，第一个字为操作码，其次个字为操作数地址，其功能是将内存中以其次个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线，显示之。JMP 指令为双字长指令，第一个字为操作码，其次个字为操作数地址，其功能是程序无条件转移到其次个字指定的内存单元地址。2、总体设计总体设计的主要任务是选定所用器件，设计指令流和数据流的数据通路，依据指令系统的要求，总体设计的主要步骤如下：A、对
4、指令系统中的各条指令进展分析，得出所需要的占据周期与操作序列，以便确定各器件的类型和数量；B、构成一个总框图草图，进展各规律部件之间的相互连接，即初步确定数据通路，使得由指令系统所要求的数据通路都能实现，并满足技术指标的要求；C、检查全部指令周期的操作序列，确定所需要的掌握点和掌握信号； D、检查所设计的数据通路，尽可能降低本钱，简化线路，优化性能。 以上过程可以反复进展，以便得到一个较好的方案。以下图给出了一个没有考虑乘法和除法指令操作的总框图参考方案，在此方案确定后，应检查所选用的各个器件是否满足数据通路的要求。数据通路的设计和器件的选择应同时进展，接入总线的器件都要有三态输出，以便与总线
5、连接。图中所示的方案承受单总线构造，使用的很多器件都是三态输出，这种方案便于总线的连接和扩展，但缺点是指令和数据的传送都要经过总线，因此对总线的使用权就要安排得当。CERAM(256x8)nalu-busALU输出缓冲(74244)WEs3s2 s1s0ALUmAR(74273b)LDARDR1(74273b)DR2(74273b)LDDR1LDDR2PC输出缓冲(74244)nPC-BUSPC(74163)R0(74374b)LDPCLOADLDR0nR0-BUS输入缓冲(74244b)微程序掌握器nsw-bus时序产生器数据输入IR(74273b)LDIR总框图数据通路图3、微程序掌握器微
6、程序掌握器根本原理图：数据通路图一旦确定，指令流与数据流的通路也就确定了，因而运算器和掌握器的大局部构造也就确定下来了。图 1 中各功能器件上标住的掌握点及掌握信号，就是微程序掌握器设计的依据。A、微指令格式微指令格式建议承受水平型微指令格式，微命令编码承受直接表示法和字段直接译码法相结合的混合表示法，以缩短微指令长度，后继微地址承受断定方式。微指令格式如下：ssssadnoeewR12R0IRDDRDDDDC R B- PAUDLD A SP(4AA32AA1 0A3210m clcLLLLLL nU 7 61)uuu u u 22221111111111987 65432 10321098
7、76543210B、微程序掌握器微指令长度为 24 位，据此可以确定掌握存储器的字长也应为 24 位。微指令格式确定后，微程序的横向设计在于正确选择数据通路，纵向设计在于确定后继微指令地址。纵向设计的通常做法是先确定微程序分支处的微地址，由于微程序分支处需要进展判别测试，这些微地址确定后，就可以在“微地址表”中把相应的微地址单元填进去，以免后面的设计中重复使用，以致造成设计错误。当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段应指明 P(1)测试。“取指”微指令是全部微程序都使用的公用微指令，P(1)测试的结果导致微程序消灭多路分支。在本模型机中，只拟设计 5 条机器指令，故用指令存放器的前 3
8、 位IR7-IR5作为测试条件，微程序可以实现 8 路转移，但我们只用到前 5 路。分支后的微地址分别定为 01001B-01101B。C、微程序流程图：PC-ARPC+1BUS-IRP1SW-R0PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1PC-ARPC+1BUS-ARBUS-ARBUS-ARBUS-PCBUS-DR2D0-BUSRAM-BUSR0-DR1(DR1)+(DR2)-R0微程序流程图D、微代码表设计如下：微地址s3s2s1s0mcnloadcewe ldr0lddr1lddr2ldirldpcldarNalu-BUS76P(1)uA4uA00 100000000-000
9、01110100 0 0 1 00 200000001000010010010 1 0 0 11 100000000-10000011000 0 0 0 11 200000000-00001110100 0 0 1 10 300000001000000110000 0 1 0 00 400000001000100010000 0 1 0 10 500000000-01000011100 0 1 1 00 610110000-10000000000 0 0 0 11 300000000-00001110100 0 1 1 10 700000001000000110001 0 1 1 02 300
10、000001100000011100 0 0 0 11 400000001000000110001 0 0 1 12 400000001000000110001 0 1 0 02 500000001000000010000 0 0 0 11 500000000-00001110101 0 1 0 12 600000001000001010000 0 0 0 14、具体设计图：A、微程序掌握器设计图：封装后的微程序掌握器：B、时序产生器的设计图：封装后的时序产生器：C、数据通路设计图：5、系统测试：6、 存在问题及解决问题留意事项首先对机器指令及微指令的的编码方法不了解，对计算机的组成和工作原理
11、也不是很理解通过教师的讲解和大家对试验指导书上争论学习再结合课本相互探讨，渐渐理解了计算机的组成和工作原理，根本把握的机器指令和微指令编码方法。其次在连接数据通路的图时连好后编译消灭了很多错误，经过小组共同努力最终成功编译好了。7、 设计总结及体会课程设计是培育学生综合运用所学学问 ,觉察,提出,分析和解决实际问题,熬炼实践力量的重要环节,是对学生实际工作力量的具体训练和考察过程。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论学问是远远不够的，只有把所学的理论学问与实践相结合起来，从理论中得出结论，将结论用于实践，从而提高自己的实际动手力量和独立思考的力量。通过本次的课程设计我
12、深深的感觉到充分利用网络资源的重要性和相互团结合作精神的重要性。在此对于较简单的系统，我了解到常承受的方法就是将其分成各个模块来实现，这样可以很大程度上简化整个系统的设计以及实现上的难度，充分发挥了化繁为简的作用。同时进一步让我生疏了 Quartus II 的环境， 可以觉察充分发挥了设计上的优势，简洁易用，便于整合，便利修改。8、参考文献1 王世敏. 纳米材料制备技术M. 北京：化学工业出版社，2023:22-22 徐瑛，杨增，李志华等. 二氧化钛复合微粉的抗菌性能争论J.功能材料，2023，336：682-683.3 Hoffman M R , Martin S T , et al. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis J.Chem Rev, 1995,95(1):69-96.4 Heinig Jr. Method of treating water P. US:USP5352369,1997-09-27.5 白中英 计算机组成原理 科学出版社 2023.5 第三版 网络版