寄存器组的设计与实现
解释计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者的定义及研究内容
解释计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者的定义及研究内容计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是计算机科学领域的重要概念，它们之间存在密切的关系，但又有着各自独立的定义和研究内容。
首先，计算机系统结构（Computer Architecture）是指计算机硬件和软件的组织方式和相互之间的关系。
它关注的是计算机的总体设计和结构，包括处理器、存储器、输入输出设备等的组织和连接方式，以及数据和控制信号的传输方式。
计算机系统结构的研究内容包括指令集设计、指令执行过程、存储器层次结构、总线结构、输入输出系统等。
计算机组成（Computer Organization）是指计算机硬件的实现方式和内部组成部分的功能设计与实现。
它关注的是计算机硬件的具体构造和内部组织，包括逻辑电路、寄存器、运算器、控制器等的设计和实现，以及数据通路和控制信号的流动方式。
计算机组成的研究内容包括逻辑门电路的设计、寄存器和运算器的实现、控制器的设计、数据通路的布局等。
计算机实现（Computer Implementation）是指计算机体系结构和组成的具体实现方式，也可以理解为具体的计算机系统。
它是在计算机系统结构和计算机组成的基础上进行具体的设计和实现，包括选择硬件平台、设计和实现硬件电路、编写底层软件等。
计算机实现的研究内容包括硬件设计与制造、操作系统开发、编译器和驱动程序的编写等。
三者之间的关系是计算机系统结构提供了计算机的总体设计和组织方式，计算机组成根据计算机系统结构的要求进行硬件部分的具体设计和实现，而计算机实现则将计算机系统结构和组成转化为具体的计算机系统。
在计算机系统研究领域，人们通过对计算机系统结构、计算机组成和计算机实现的研究，可以提高计算机的性能和可靠性，设计出更高效的计算机系统，开发出更强大的应用软件，实现各种计算任务的需求。
同时，这些研究还可以推动和促进计算机技术的发展和进步，推动计算机科学的研究和应用。
第4章 计算机中的运算器部件
计算机中的运算器部件
运算器的基本功能
运算器是计算机五大功能部件之一，在控制器的 指挥控制下，完成指定给它的运算处理功能(算术、 逻辑运算)；也是CPU内部数据传送的重要通路。 主要由ALU、暂存被运算数据和中间结果的寄存 器组（Regs）和其它辅助电路3部分组成。 运算器通常包括下列两种类型：
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
二选一
Am2901之结果去向选择门
/OE有效时，将F 或A锁存器送往Y
Cn
I3 I4 I5 I0 I1 I2
F A L U R S 二选一 三选一
输入D 将F不移、左移、 A锁存器 B锁存器 乘商寄存器Q 右移一位送往通 用寄存器，由 Q0 A 16个 B Q3 A地址 RAM3和RAM0 三选一 B地址 分别接收移入位 通用寄存器 或提供移出位 RAM3 三选一 RAM0
CP A、B口锁存 通用寄存器 接收
Q 接收
Am2901的控制信号汇总表
编码
B
I8 I7 I6
Q Y
I5 I4 I3 F F A R+S S− R R− S
I2 I1 I0
R S
000 001 010 B← F
Q← F
A A 0
பைடு நூலகம்
Q B Q
011
100 101 110 111
B← F
B← F/2 Q← Q/2 B← F/2 B← 2F B← 2F Q← 2Q
四位并行进位加法器
4-1 运算器部件概述
可实现加(减)、与、或运算的一位ALU
功能选择信号 OP
00 01 10 11
Xn
与 门 或 门 加 法 器
西安交通大学计算机组成原理实验报告
西安交通大学计算机组成原理实验报告姓名：***班级：物联网**学号：实验一存储器的访问与实现一、实验目的1、理解计算机主存储器的分类及作用；2、掌握ROM、RAM的读写方法。
二、实验原理存储器按存取方式分，可分为随机存储器和顺序存储器。
如果存储器中的任何存储单元的内容都可随机存取，称为随机存储器，计算机中的主存储器都是随机存储器。
如果存储器只能按某种顺序存取，则称为顺序存储器，磁带是顺序存储器，磁盘是半顺序存储器，它们的特点是存储容量大，存取速度慢，一般作为外部存储器使用。
如果按存储器的读写功能分，有些存储器的内容是固定不变的，即只能读出不能写入，这种存储器称为只读存储器（ROM）；既能读出又能写入的存储器，称为随机读写存储器（RAM）。
实际上真正的ROM基本上不用了，用的是光可擦除可编程的ROM（EPROM）和电可擦除可编程的ROM（EEPROM）。
EEPROM用的越来越多，有取代EPROM之势，比如容量很大的闪存（FLASH）现在用的就很广泛，常说的U盘就是用FLASH做的。
按信息的可保存性分，存储器可分为非永久性记忆存储器和永久性记忆存储器。
ROM、EPROM、EEPROM都是永久记忆存储器，它们断电后存储内容可保存。
RAM则是非永久性记忆存储器，断电后存储器中存储的内容丢失。
随机读写存储器类型随机存储器按其元件的类型来分，有双极存储器和MOS存储器两类。
在存取速度和价格两方面，双极存储器比MOS存储器高，故双极存储器主要用于高速的小容量存储体系。
在MOS存储器中，根据存储信息机构的原理不同，又分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。
静态随机存储器采用双稳态触发器来保存信息，只要不断电，信息就不会丢失；动态随机存储器利用记忆电容来保存信息，使用时只有不断地给电容充电才能使信息保持。
静态随机存储器的集成度较低，功耗也较大；动态随机存储器的集成度较高，功耗低。
现在计算机中，内存容量较大，常由动态随机存储器构成。
一种并行CRC校验算法的IP设计与实现
一种并行CRC校验算法的IP设计与实现岳天天【摘要】CRC是Cyclic Redundancy Check的简称，即：循环冗余校验。
传统CRC编码，由于采用移位寄存器进行串行处理，数据吞吐量已无法适应新的速率要求，所以需要采用并行结构CRC编码器。
并行CRC的核心思想就是把一个码块中的数据分成多组，每组数据同时进行处理，最终得到本码块的CRC校验序列。
【期刊名称】《广东通信技术》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】4页(P76-79)【关键词】编译码;CRC;并行;生成多项式;IP设计【作者】岳天天【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院【正文语种】中文1 算法概述1.1 CRC编码算法CRC是Cyclic Redundancy Check的简称，即循环冗余校验。
是现代数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。
CRC编码原理为[1][2]：假设编码序列对应的码多项式为f(x),给定一个n次码多项式g(x)，则称为f(x)进行CRC编码后的码多项式，其中g(x)成为生成多项式。
根据代数理论可知，有限域上的多项式环（GF(q)[x]）是一种欧式环，即对于任意给定多项式f(x)，g(x) ∈ GF(q)[x]，必存在唯一的多项式q(x)和r(x)，使得因此存在f(x)× xn=q(x)g(x) +(f(x) × xn)mod(g(x))，即由上面推导不难看出，CRC编码后的码多项式C(x)是生成多项式g(x)的倍式。
在接收时，只需要判断C(x)是否能够整除g(x)，即可完成CRC码的检错。
1.2 并行CRC编码设码块信息位长为z，并行处理的长度为i，则k= ■z/i■为分组组数，当z不能整除i时，需要在z前端填补(k×i)−z个0，用D表示每组数据，用X表示a时刻的寄存器的状态值，则X'表示第a+i时刻的寄存器的状态值，D表示需要进行编码的信息比特流，则：其中矩阵F为转移矩阵，根据编码所使用的生成多项式不同，F矩阵由下式计算得出：设寄存器第j时刻的状态值用表示，寄存器第j+i时刻的状态值用X( j+ i) =表示，D(l)表示第l组输入数据，则校验序列即寄存器的最终状态X(z)可根据式（4）推得，如式（5）所示公式（5）即为进行并行度为i时的CRC编码实现公式。
单片机执行可编程微控制器指令的设计与实现
单片机执行可编程微控制器指令的设计与实现单片机是一种集成电路芯片，通过执行可编程微控制器指令来实现不同的功能。
可编程微控制器指令是一种高级语言，由特定的指令集组成，在单片机中被转换成二进制代码。
本文将介绍单片机执行可编程微控制器指令的设计与实现。
一、单片机基本组成单片机通常由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入输出端口(IO)和定时器(Timer)等基本组成部分构成。
其中，CPU是单片机的核心，负责执行指令，控制各种操作。
RAM用于存储临时数据和程序执行的指令，ROM用于存储程序指令和常量。
IO口和定时器用于与其他设备进行通信和计时。
二、可编程微控制器指令单片机执行的指令由可编程微控制器指令构成。
这些指令被组织成一组特定的指令集，其语法和含义由处理器架构决定。
指令通常包括算术操作、逻辑操作、移位操作、控制操作等等。
指令的执行涉及到寄存器、栈、内存等数据结构，需要准确地控制程序的运行流程。
三、单片机指令执行流程单片机执行可编程微控制器指令的流程可以分为以下几个步骤：1. 程序计数器(Program Counter，PC)：单片机从某一个地址开始执行指令，PC寄存器储存当前地址。
执行一个指令之后，PC递增到下一个指令的地址。
2. 取指阶段(instruction fetch)：根据PC指向的地址从ROM中读取指令。
指令存储在一个较小的存储区中，无需缓存即可访问。
3. 译码阶段(instruction decode)：将指令翻译成具体的操作，确定指令类型和操作数。
在这个阶段，CPU决定下一步要执行的操作。
4. 执行阶段(instruction execute)：执行指令操作，进行算术、逻辑、移位、控制等运算。
5. 记录阶段(instruction store)：将执行结果存储到某一寄存器或内存地址中。
四、单片机指令的设计与实现单片机指令的设计与实现涉及到处理器的指令集结构和细节实现，需要针对具体的芯片进行优化。
计算机组成原理袁春风
计算机中数的表示
讲解计算机中负数的表示 方法，如原码、反码、补 码等。
编码的基本概念
阐述编码的定义、分类及 常用编码方法，如ASCII 码、Unicode编码等。
逻辑代数基础
逻辑变量的基本概念
介绍逻辑变量、逻辑函数的基本概念及表示方 法。
主存储器（Main Memory）
位于计算机主机内部，用于存放正在运行的程序和数据。
辅助存储器（Auxiliary Memo…
位于计算机主机外部，容量大、速度慢，用于长期保存信息。
主存储器
随机存取存储器（RAM）
只读存储器（ROM）
可读可写，断电后信息丢失， 用于存放临时数据和程序。
只读不写，断电后信息不丢失 ，用于存放固定程序和数据。
逻辑代数的基本运算
讲解逻辑与、逻辑或、逻辑非等基本运算的定 义、性质及运算规则。
逻辑函数的化简
阐述逻辑函数的化简方法，如公式法、卡诺图法等，以及化简在数字电路设计 中的应用。
门电路与组合逻辑电路
门电路的基本概念
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及特性。
组合逻辑电路的分析与设计
讲解组合逻辑电路的分析方法，如真值表、逻辑表达式等，以及 组合逻辑电路的设计方法，如编码器、译码器、数据选择器等。
固态驱动器（SSD）
采用闪存作为存储介质，具有速度快、 无噪音、抗震动等优点，但价格较高。
网络存储
通过网络连接远程服务器上的存储设 备，具有容量大、可共享等优点，但 速度和安全性受网络影响。
05
中央处理器
CPU的功能和组成
控制单元（CU） 负责协调计算机各部件工作，包 括取指、分析指令和执行指令。
异步FIFO的设计与实现
摘要随着数字系统规模的不断增大，单时钟域设计会极大地限制数字系统性能，现代数字系统为了提升性能，常采用多时钟域的设计。
跨时钟域的信号在传输时会遇到亚稳态现象，如何保持系统稳定地传输数据是多时钟域系统设计者重点关注的问题，在跨时钟域传递数据的系统中，常采用异步FIFO（First In First Out，先进先出队列）口来缓冲传输的数据，以克服亚稳态产生的错误，保证数据的正确传输。
常规的异步FIFO 设计采用先同步读写指针后比较产生空／满标志和用先比较读写指针产生空／满标志，再同步到相应时钟域的方法，但由于常规异步FIFO 模块中的RAM 存储器读写寻址指针常采用格雷码计数器以及“空满”控制逻辑的存在，工作频率低，面积大，将使通过这两个模块的信号通路延时对整个模块的工作频率造成制约。
本文提出了一种新型异步FIFO 的设计方法，该方法省略“了满”信号产生模块和多余的存储器位深来简化常规的FIFO 模块，而只保留“空”信号产生模块，避免使用大量的同步寄存器，减少了面积空间。
FPGA 验证的结果表明，改进后的异步 FIFO 性能有了显著的提高。
关键词：现场可编程门阵列（FPGA ）亚稳态空/满标志产高速FIFOABSTRACTWith the increasing of digital system size, a single clock domain design will greatly limit the digital system performance. To enhance the performance of modern digital systems, multiple clock domain design is conventionally adopted. While being transmitted, Cross-clock domain signals will come across the phenomenon of metastability, hence it will be a major concern for the multi -clock domain system designers to probe how to maintain the system stability and to have data transmission conducted smoothly. As to the bus system data transmission in the system where the two data interface clocks don’t match, one of super and effective solutions is to use asynchronous FIFO buffer memory. How To solve the key and difficult issue that metastability and how to generate empty and full flag correctly in asynchronous FIFO design. Traditional FIFO design often synchronizes write/read address first, then compares them to generate empty/full signals or empty / full flag first compare the read and write pointer, and then synchronized to the clock domain, This design takes on too much area and can only work at a low frequency，this will allow the signaling pathways of these two modules delay caused by constraints of the operating frequency of the entire module. A new method of asynchronous FIFO is proposed to overcome these problems，omit the "full" signal generator module and redundant memory bit depth to simplify the conventional FIFO module, leaving only the "empty" signal generation module，avoid the use of a large number of synchronization registers, reducing the area of space. FPGA verification results show that the asynchronous FIFO improved performance has been significantly improved.Keywords: Field Programmable Gate Array (FPGA); Metastable; Mmpty / Full Flag production; High-speed FIFO目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2研究现状 (1)1.3本文的主要工作 (3)1.4论文结构 (3)第二章跨时钟域设计的挑战与实现方法 (4)2.1跨时钟域设计的挑战 (4)2.1.1亚稳态问题 (4)2.1.2亚稳态产生的原因 (5)2.1.3亚稳态的危害 (5)2.2 跨时钟域的实现方法 (6)2.2.1同步器 (6)2.2.2握手机制 (9)第三章开发环境 (11)3.1硬件平台 (11)3.2软件平台 (11)第四章异步FIFO的设计与实现 (13)4.1异步FIFO (13)4.1.1异步FIFO工作原理 (13)4.1.2异步FIFO设计的难点 (14)4.2常见异步 FIFO 的设计 (16)4.2.1 读写地址产生逻辑 (18)4.2.2空/满标志的产生及代码的实现 (19)4.3.3改进的异步 FIFO 设计方法分析 (22)4.4高速异步FIFO的设计与实现 (23)4.4.1常见FIFO模块分析 (23)4.4.2高速异步FIFO 设计 (25)第五章结论 (28)第六章参考文献 (29)致谢 (30)附录高速异步FIFO设计仿真分析 (31)附1. 设计工作流程 (31)附.1.1 设计输入 (31)附.1.2 设计编译 (35)附.1.3 设计仿真 (36)第一章绪论1.1研究背景和意义作为21 世纪最重要的科学领域之一，超级计算机是体现科技竞争力和综合国力的重要标志。
基于APB总线的SPI接口设计与实现
基于APB总线的SPI接口设计与实现刘梦影;王芬芬【摘要】基于高性能外设总线(APB,Advance Peripheral Bus)接口,设计了一个支持多样化工作模式和通信格式的SPI接口.为实现高速通信,该SPI采用一个复用移位寄存器.用硬件描述语言Verilog HDL设计并实现了SPI模块.仿真结果表明,该SPI接口能够支持多种工作模式和通信方式,同时确保数据传输有效.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2018(018)005【总页数】5页(P28-32)【关键词】SPI;APB总线;多样化;复用【作者】刘梦影;王芬芬【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072【正文语种】中文【中图分类】TN4021 引言现如今，数字技术高速发展，许多芯片或作为核心器件用于数据交换，具有承上启下的数据交换枢纽作用，或用于集成电路之间进行数据存储和显示等[1]。
为适应通信环境和高速的通信速率要求，通常使用多个微处理器完成信号的收发处理，因此需要一种高效的数据总线快速有效地完成它们之间大量的数据交换。
因此，设计一个高效快速的通信接口是至关重要的[2]。
串行外围设备接口SPI总线技术是Motorola公司推出的一种微处理器、微控制器以及外设间的串行数据接口标准[3]，主要用于扩展外设和进行数据交换[4]。
SPI接口连线简单，配置灵活，传输效率高[5]，因此应用广泛，很多器件如E2PROM、FLASH、实时时钟、A/D转换器等都用到了SPI接口[6]。
郭艾华[7]设计了一种可灵活配置为主/从设备，设置传输速率，支持DMA功能并适用于多种时钟模式的SPI协议IP核，但从机片选信号只可由主机输出，存在一定的局限性。
李琦、贺明等[8]以微处理器S3C2440和嵌入式Linux操作系统组成的嵌入式系统作为开发平台，设计了一款基于ARM嵌入式系统的SPI驱动程序，该设计存在两组8位移位寄存器，支持传输8位数据，但未有效地运用硬件资源。
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寄存器组的设计与实现
第______ _________组
成员___ ____ ____
实验日期___ _____ _____
实验报告完成日期___________
1、 实验目的
１、学习掌握Ｑｕａｒｔｕｓ软件的基本操作；
２、理解寄存器组的工作原理和过程；
３、设计出寄存机组并对设计的正确性进行验证；
二、实验内容
１、设计出功能完善的寄存器组，并对设计的正确性进行验证。要求
如下：
（１）用图形方式设计出寄存器组的电路原理图
（２）测试波形时用时序仿真实现，先将不同的数据连续写入
４个寄存器后，再分别读出
（３）将设计文档封装成器件符号。
（４）数据的宽度最好是１６位
２、能移位的暂存器实验，具体要求如下：
（１）用图形方式设计出能移位的暂存器电路原理图，分别实
现左移、逻辑右移和算术右移。
（２）测试波形时要用时序仿真实现，测试数据不要全为０也
不要全为１，算术右移的测试数据要求为负数（即符号位为
１）
（３）将设计文档封装成器件符号。
（4） 数据的宽度最好是１６位
三、能完善的寄存器组设计思想
1、 对于寄存器组设计思路
利用具有三态功能的寄存器堆７４６７０芯片进行设计，根据实验
要求，需要设计１６位的存储器组，则需要７４６７０芯片４片，在寄
存器组工作时，同时对４片７４６７０芯片进行读写操作控制，封装后
即可作为包含有４个寄存器的１６位寄存器组在主机系统中调用。
2、 对７４６７０器件的学习
７４６７０（三态输出４×４寄存器堆）提供４个４位的寄存器，在功
能上可对４个寄存器去分别进行写操作和读操作。在寄存器进行写操作
时，通过ＷＢ、ＷＡ两个寄存器选择端的组合和００、０１、１０、１
１、来选择寄存器，公国ＧＷＮ写操作端控制进行三态控制，在ＧＷＮ
为低电平时将数据写入端数据Ｄ４Ｄ３Ｄ２Ｄ１写入该寄存器；在寄存
器进行读操作时，通过ＲＢ/ＲＡ两个寄存器选择端的组合和００、０
１、１０、１１来选择寄存器，通过ＧＲＮ读控制端进行三态控制，在
ＧＲＮ为低电平时将所选寄存器数据通过Ｑ４Ｑ３Ｑ２Ｑ１进行输出，
芯片图如下：
功能表如下：
读功能表： 写功能表：
四、能完善的
寄存器组逻辑
电路图（以框
图方式画）
五、能移位的暂存器设计思想
算术移位和逻辑移位区别：
算术移位是对带符号数进行移位，逻辑移位对无符号数进行移位。示意
图如下：
７４１９８和７４１９４芯片都具有移位暂存功能，扩展位数后可设计
成１６位的移位暂存器。
７４１９４的端口中，ＣＬＲＮ为清零端，Ｓ１Ｓ０为模式选择端，选
择移位方式；输入端口ＡＢＣＤ为并行输入端，用于移位寄存器置数；
ＳＬＳＩ、ＳＲＳＬ为串行输入端，表示移位后补充的值；ＣＬＫ为移
位时钟；ＱＡ~ＡＢ为输出端，功能表如下：
７４１９８:８位双向移位寄存器，功能表如下：
六、能移位的暂存器逻辑电路图（以框图方式
画）