简单8位模型机设计
嵌入式的8位CISC模型机设计 课程设计
嵌入式的8位CISC模型机设计目录一、设计目的.............................................................................................................................. - 1 -二、设计题目及要求.................................................................................................................. - 1 -三、设计方案.............................................................................................................................. - 1 -1.模型机的总体设计........................................................................................................... - 1 -3. 模型机机器指令格式和指令系统................................................................................. - 2 -4．时序产生器的设计原理及时序波形图........................................................................ - 2 -5. 微程序流程图................................................................................................................. - 3 -6、微程序控制器单元........................................................................................................ - 4 -8、机器语言的源程序........................................................................................................ - 5 -四、设计的过程与步骤.............................................................................................................. - 5 -1、设计各单元电路............................................................................................................ - 5 -ALU单元 .................................................................................................................... - 5 -状态条件寄存器单元.................................................................................................. - 6 -暂存寄存器、通用寄存器、地址寄存器、指令寄存器单元.................................. - 6 -1：2分配器单元......................................................................................................... - 6 -3选1数据选择器单元............................................................................................... - 6 -4选1数据选择器单元............................................................................................... - 6 -程序计数器单元.......................................................................................................... - 6 -主存储器单元.............................................................................................................. - 6 -时序产生器单元.......................................................................................................... - 6 -微程序控制器单元...................................................................................................... - 6 -2、设计CISC模型机的顶层电路图................................................................................. - 7 -五、模型机的各单元VHDL源程序......................................................................................... - 7 ---ALU的VHDL源程序ALU.vhd ............................................................................. - 7 ---状态条件寄存器的VHDL源程序LS74.vhd.......................................................... - 8 --- 8位数据寄存器的VHDL源程序LS273.vhd........................................................ - 9 --- 1：2分配器的VHDL源程序FEN2.vhd ............................................................... - 9 ---3选1数据选择器单元VHDL源程序MUX3.vhd .............................................. - 10 ---4选1数据选择器单元VHDL源程序MUX4.vhd .............................................. - 10 ---程序计数器单元VHDL源程序PC.vhd ............................................................... - 11 ---主存储器单元VHDL源程序ROM16.vhd ........................................................... - 12 ---时序产生器单元的VHDL源程序COUNTER.vhd ............................................. - 12 ---控制存储器CONTROM的VHDL源程序CONTROM.vhd .............................. - 14 ---微命令寄存器MCOMMAND的VHDL源程序MCOMMAND.vhd ................. - 15 ---微地址转换器F2的VHDL源程序F2.vhd .......................................................... - 17 ---微地址转换器F3的VHDL源程序F3.vhd .......................................................... - 17 -六、模型机的单元电路图及系统顶层电路图........................................................................ - 18 -七、模型机的功能仿真和硬件验证........................................................................................ - 23 -1、功能仿真波形图.......................................................................................................... - 23 -2、硬件验证...................................................................................................................... - 24 -八、设计总结............................................................................................................................ - 24 -九、参考文献............................................................................................................................ - 24 -课程设计题目：组成原理课程设计嵌入式的8位CISC模型机设计一、设计目的通过课程设计加深对计算机各功能部件的理解；掌握数据信息流和控制信息流的流动和实现过程，建立起整机概念；培养设计、开发和调试计算机的能力。
8位模型计算机的设计
石家庄经济学院华信学院计算机组成原理课程设计报告题目 8位模型计算机的设计姓名学号班号 4064170801指导老师关文革尹立洁赵洋成绩2009年1月目录1. 课程设计目的 522. 开发工具选择 523. 方案选择 524．指令系统设计 525. 模型机框图设计 526. 指令流程图 527. 指令操作时间表（组合逻辑控制器）或者微指令格式（微程序控制器）设计 528. 微操作信号综合与优化（组合逻辑控制器）或者微程序（微程序控制器）设计 529. VHDL实现 5210. 调试仿真 5211. 课程设计回顾总结 52参考文献 52附录 52一、课程设计目的1、计算机组成原理课程设计的主要任务是让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题。
综合运用所学计算机组成原理知识，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本的模型计算机，掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计算机上调试运行。
2、通过一台模型机的设计过程，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。
二、开发工具选择以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言 VHDL为设计工具，应用QUARTUSⅡ5.1环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。
三、方案选择应用微程序控制器来实现8位模型计算机的设计。
四、指令系统设计所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：load，sta，add，sub，and1，nop，jmp。
实现功能分别如下：load指令是公操作，实现取数据的功能；sta指令实现存操作；add指令实现加法操作；sub指令实现减法操作；and指令实现与操作； nop指令实现空操作；jmp指令实现无条件跳转操作。
其中add，sub，and1，属于双操作数指令，其指令格式如下图：目的源其中jmp属于转移指令，其指令格式如下图：转移条件转移地址五、模型机框图设计I/O六、指令流程图Addr_busload_MARCSR_NW3OPNopAndSubAddStaJmp Load913111210814ACC_bus load_MDR transfer CSR_NWCSR_NWCSR_NW1676417MDR_bus load_MDR 5CSMDR_busALU_ACCALU_ANDMDR_busALU_ACCALU_SUBMDR_busALU_ACCALU_ADDMDR_busload_ACC七、微指令格式（微程序控制器）设计八、微程序（微程序控制器）设计微处理器的所有数据通路宽度是8位，操作码是3位。
八位模型机设计
八位模型机设计||实验名称八位模型机设计课程名称计算机组成原理程序设计||专业班级：计算计科学与技术学生姓名：实验日期：2015年5月验证性、综合性实验报告应含的主要内容：一、实验目的及要求二、所用仪器、设备三、实验原理四、实验方法与步骤五、实验结果与数据处理六、讨论与结论（对实验现象、实验故障及处理方法、实验中存在的问题等进行分析和讨论，对实验的进一步想法或改进意见）七、所附实验输出的结果或数据设计性实验报告应含的主要内容：一、设计要求二、选择的方案三、所用仪器、设备四、实验方法与步骤五、实验结果与数据处理六、结论（依据“设计要求”）七、所附实验输出的结果或数据目录一、摘要.......................................................................................................... 错误!未定义书签。
二、前言.......................................................................................................... 错误!未定义书签。
三、设计目的、任务与内容.......................................................................... 错误!未定义书签。
设计目的.................................................................................................. 错误!未定义书签。
根据计算机组成原理课程所学知识，设计一个8位的模型计算机。
..... 错误!未定义书签。
设计任务.................................................................................................. 错误!未定义书签。
计算机硬件课程设计简单模型机设计
计算机硬件综合课程设计报告简单模型机设计一、设计要求硬件：TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台，PC机一台，排线若干，串口线一根。
软件：CMP软件二、设计目的1.通过对一个简单计算机的设计，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。
2.通过这次课程设计，建立整机的概念，对程序进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。
3.通过本次课程设计熟悉和训练设计思路与实现方法。
4.通过本次课程设计锻炼团队合作的能力和团队问题的解决。
三、设计电路及连线设计电路及连线实验图如下图1-1所示。
图 1-1 简单模型机连线图四、设计说明本次课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。
这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU 从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
本次课程设计采用五条机器指令：IN （输入）、ADD （二进制加法）、STA （存数）、OUT （输出）、JMP （无条件转移），其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符 机器指令码 说 明 微程序入口地址 IN 0000 0000 “INPUT DEVICE ”中 10 的开关状态→R0 0001 0000 ×××× ×××× R0+[addr]→R0 11 0010 0000 ×××× ×××× R0→[addr] 12 0011 0000 ×××× ×××× [addr]→BUS 13 0100 0000 ×××× ×××× addr →PC 14 ADDaddr STAaddr OUTaddr JM P addr其中，IN 为单字长（8位），其余为双字长，×××× ××××为addr 对应的二进制地址码。
8位模型计算机的设计计算机组成原理课程设计报告
000
001
010
011
100
101
110
含义
传送
加
减
与
跳转
逻辑左移
空
5. 模型机框图设计
模拟机数据通路如下图所示，模型机采用单总线结构，主要包括运部件ALU，以及程序计数器PC、累加器ACC、指令寄存器IR、数据寄存器MDR、地址寄存器MAR和通用寄存器R，RAM为内存。
控制信号
ALU
(1)寄存器的位数
微程序流程图的下地址，可知共有25条微指令，表2给出了该模拟机微程序的编码。地址3的下地址，应该根据指令操作码来和寻址方式形成，所以将其下地址设为11111，表示如果下地址为11111时，且寻址方式标志位为0（即立即寻址），则下地址应为01 & 指令的操作码，若寻址方式标志位为1（即寄存器寻址），则下地址应为10 & 指令的操作码。
(4)微命令的设置（各标识的含义）
6. 指令流程图
指令的流程图如图 3所示，共有 8 条指令，每条指令都要经过取指令、分析指令和执行指令3个步骤。
在取指令阶段，8 条指令是一样的，首先程序计数器PC的内容通过总线送入地址寄存器MAR，存储信息，PC+1传送给PC，把读出的内容传送给指令寄存器IR 。再接下来的操作中，根据不同的指令，执行顺序也不同。
7.微指令格式（微程序控制器）设计
微指令格式设计如表1：
控 制 信 号
描 述
ACC_bus
用ACC的内容驱动总线
load_ACC
将总线上的数据载入ACC
PC_bus
用PC的内容驱动总线
load_IR
将总线上的数据装载至IR
load_MAR
计算机硬件课程设计——复杂模型机设计
硬件课程设计——复杂模型机设计一．实验目的：经过一系列硬件课程的学习及相关实验后，做一个综合的系统性的设计，这在硬件方面是一个提高，进一步培养实践能力。
二．实验内容：搭建一台8位模型机，指令系统要求有10条以上，其中包括运算类指令、传送类指令、控制转移类指令、输入输出指令、停机指令等。
三．实验思路：1、确定设计目标：确定所设计计算机的功能和用途。
2、确定指令系统：确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。
3、确定总体结构与数据通路：总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构，列出各种信息传送路径以及实现这些传送所需要的微命令。
4、设计指令执行流程：数据通路确定后，就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。
根据指令的复杂程度。
每条指令所需要的机器周期数。
对于微程序控制的计算机，根据总线结构，需要考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中。
5、确定微程序地址：根据后续微地址的形成方法，确定每条微程序地址及分支转移地址。
6、根据微指令格式，将微程序流程中的所有微操作进行二进制代码化，写入到控制存储器中的相应单元中。
7、组装、调试：在总装调试前，先按功能模块进行组装和分调，因为只有功能模块工作正常后，才能保证整机的运行正确。
四．实验原理：4.1指令系统及指令格式：指令系统包括：算术逻辑运算指令、访存指令、控制转移指令、I/O指令、停机指令。
一般指令格式：指令系统如: ADD RS,RD MOV DATA,RDMOV RS,[ADDR] JZ ADDRIN RD HALT其中RS 、RD为R0、R1、R2中之一，DA TA为立即数，ADDR为内存地址。
4.2微指令格式：4.3微程序地址入口的形成：P（1）是用来译码指令寄存器的I7、I6、I5、I4 ,用于一般指令,微程序入口址为OP+10HP（2）是用来译码指令寄存器的I3、I2 ,用于不同寻址方式指令，入口地址转OP+20HP（3）是用来译码判断标志位C、Z ,用于条件转移指令,条件成立转OP+30H,条件不成立转OP+20HP（4）是用来译码控制台操作的SWB、SW A ,用于手动操作。
嵌入式的8位CISC模型机设计报告
韶关学院课程设计说明书（论文）课程设计题目：嵌入式的8位CISC模型机设计学生姓名：学号：院系：计算机科学学院专业班级：指导教师姓名及职称：起止时间：2011 年10 月——2011 年11 月课程设计评分：目录一、实验目的二、设计题目及要求三、设计方案：1.模型机的总体设计2. 微程序控制器的组成原理框图3. 模型机机器指令格式和指令系统4. 时序产生器的设计原理及时序波形图5. 微程序流程图6. 微程序控制器单元7. 汇编语言源程序8. 机器语言的源程序四、设计的过程与步骤五.模型机系统顶层电路图六．模型机的时序仿真波形图七．设计总结八．参考文献韶关学院课程设计任务书学生姓名专业班级09科学与技术2班学号指导教师姓名及职称设计地点信息418设计题目嵌入式的8位CISC本课程设计课题任务的内容和要求：设计一台嵌入式的8位CISC模型计算机，并运行能完成一定功能的机器语言程序进行验证，程序功能可以是以下两个之一：✧求出1到任意一个整数N之间的所有奇数之和并输出显示，和为单字长。
说明：N从开关输入，和从数码管输出，然后输出显示停止。
对本课程设计工作任务及工作量的要求：课程设计完成工作任务内容如下：（1）完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图。
（2）设计微程序控制器（CISC模型计算机）的逻辑结构图。
（3）设计机器指令格式和指令系统。
（4）设计时序产生器电路。
（5）设计所有机器指令的微程序流程图（CISC模型计算机）（6）设计操作控制单元。
●设计的是CISC模型计算机，设计微指令格式（建议采用全水平型微指令），并根据微程序流程图和微指令格式设计微指令代码表。
根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码设计微程序控制器，包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器。
（7）设计模型机的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件——图形描述文件）对模型机中的各个部件进行编程，并使之成为一个的整体，即形成顶层电路或顶层文件。
8位模型机的设计与实现
结 构和数 据通 路如 图 １所 示． 制 器 是 整个 模 型 机 控
的 中心 ， 由它 来控制 计算 机指 令 的执行 ． 型机执行 模 指 令 的具 体过程 为 ： 先 控 制器 从 指令 寄 存 器 取得 首 指令， 编译 指 令 ， 输 出微 控 制 信 号 ， 制 ＡＬ 的 再 控 Ｕ 运算 ， Ｃ加 １ 并且 从 ＲＡＭ 中取 出数 据 运算 ， 算 Ｐ ， 运
方式后 ， 要掌握 其它类 型 的 寻址 方 式 （ 接寻 址 等） 间 就 比较 容易 了． 由于我 们 设计 模 型 机 的主要 目的 又 是 为 了使 学生掌握 计算机 的工作 原理及 指令在 计算 机 中执行 的流程 ， 而不 是 真 正要 实 现一 台计算 机 产 品 ， 以我们 只在模 型机 中实现这 两种 寻址方式． 所
觉得 计 算 机 组 成 原 理 整 机 实验 不 再 抽 象 难 懂 ． 关 键 词 ：模 型 机 ； 计 与 实 现 ； 设 ＶＨＤＬ 中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ０ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １ ７ 一 ｌ ９ （ ０ １０ — ０ ７ —０ ６ １ ｌＸ ２ １ ）１ ０ １ ３
立 即数或 存储 单元 等操 作 数 ， ４位用 于保 存 指令 高 操 作码 ， 模型 机 的指令 格式 如图 ２ 示． 所 模型 机指令
系统 包括 数据 传送 类指 令 、 术逻辑 运算 类指令 、 算 转 移类 指令 、 停机 指令 ４类 指令 ， １ 共 ０条指令 ． 每条 指 令 的助记 符 、 令格 式 、 指 机器码 和指令 功能 如表 １所
存 器读 取 下一 条指令 ， 次循 环． 依
０ 引 言
计算 机组成 原理是 计算 机科 学 专业 的一 门重 要 的专 业基础 课 ， 内容 包 括 计算 机 部 件 和 整 机 的组 成
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计算机组成原理
课程设计报告
13073210
2015．7. 12
8位模型机总体结构设计
8位模型机数据通路设计
8位模型机具体部件设计图时序发生器
CLK : 时钟信号
HALT: 停机信号
m[7..0] : 输出时序信号
Timer波形
程序计数器
CPPC ：上升沿控制信号
PC1 :PC自加一控制信号
PC-BUS :三态门控制
BUS[7..0] : 数据输入/
输出
运算器
BUS[7..0] : 数据输入/
输出
CPSA： A暂存器控制信
号
CPSB： B暂存器控制信号
ALU-BUS ：三态门控制
CN ：运算信号
M ：运算信号
S[3..0] ：运算控制信号
通用寄存器组
BUS[7..0] : 数据输入/输出
WE ：写入控制信号使能端
WA ：寄存器写入控制信号
WB ：寄存器写入控制信号
RE：读取控制信号使能端
RA：寄存器读取控制信号
RB ：寄存器读取控制信号主存
BUS[7..0] : 数据输
入/输出
CPMAR : 主存地址写
入控制信号
WRE ：主存写入控制
使能端
WR ：主存写入控制
信号
RD主存读取控制信号
RAM-BUS ：三态门
控制
CPMDR ：主存数据写
入控制信号
总线暂存器
BUS[7..0] : 数
据输入/输出
CPBUS ：暂存
器输入控制信
号
OUTBUS：暂存
器输出控制信
号uPC
IR
控存
8位模型机机器指令设计
MOV A, 88H 10 传送指令（立即数->寄存器）MOV B, 66H 20 传送指令（立即数->寄存器）ADD A, B 30 加法算术运算
DEC A 40 自减一
AND A, B 50 逻辑与运算
JMP 80H 60 跳转指令
INC A 80 自加一
HALT 90 停机指令
8位模型机微指令表
8位模型机微指令
入口地址：80
DEC A
RE CPSA UPC
WE S0 S1 S2 S3 S4 ALU-BUS CN 0-UPC 0-IR
入口地址：90
HALT
HALT
8位模型机模型机调试波形
MOV A, 88H
MOV B, 66H
ADD A, B
DEC A
AND A, B
INC A
HALT
JMP 80h
8位模型机指令汇总公共取值（小组共同）
MOV A , 88H （小组共同）MOV B , 66H （自己设计）ADD A, B （小组共同）DEC A （自己设计）
AND A, B （小组设计）DEC A （自己设计）
JMP 80H （小组设计）HALT （小组设计）
心得体会
在完成了本次课程设计后，我的感触颇多。
首先，我深刻的体会到了计算机结构的复杂性，感受到这门学科的奥妙和趣味，真正的意识到计算机是人类历史上最伟大的发明。
我已经能够自己模拟制作出一个简单的8位模型机，深刻的学习到了模型机的工作原理，这是课本所无法提供的一种富有意义的实践。