八位模型机设计
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位机微程序控制器模型计算机的设计与实现
8位机微程序控制器模型计算机的设计与实现以8位机微程序控制器模型计算机的设计与实现为题，本文将详细介绍该计算机的设计原理、工作方式以及实现过程。
一、引言计算机是现代社会不可或缺的工具，它的发展离不开控制器的设计与实现。
微程序控制器是一种常见的控制器设计方式，它通过一组微指令来控制计算机中的各个部件，实现计算机的操作功能。
二、设计原理8位机微程序控制器模型计算机的设计原理主要包括微程序存储器、微指令控制器、指令译码器和各个部件之间的连接。
1. 微程序存储器：微程序存储器存储了一组微指令，每个微指令对应一条计算机指令的执行步骤。
微指令包括操作码、地址码和控制信号等信息。
2. 微指令控制器：微指令控制器根据当前指令的操作码从微程序存储器中读取对应的微指令，并将其中的控制信号传递给各个部件，控制其工作。
3. 指令译码器：指令译码器将指令的操作码解析为对应的微指令地址，并发送给微指令控制器。
4. 各个部件之间的连接：微指令控制器将控制信号传递给各个部件，包括算术逻辑单元、寄存器、存储器等，控制其进行相应的操作。
三、工作方式8位机微程序控制器模型计算机的工作方式主要包括指令执行和状态转移两个过程。
1. 指令执行：当一条指令被加载到计算机中后，指令译码器将其操作码解析为对应的微指令地址，并发送给微指令控制器。
微指令控制器根据微指令地址从微程序存储器中读取对应的微指令，并将其中的控制信号传递给各个部件。
各个部件根据接收到的控制信号进行相应的操作，完成指令的执行。
2. 状态转移：在指令执行过程中，根据指令的要求或者计算机内部的状态变化，微指令控制器可能需要进行状态转移。
状态转移是通过修改微指令控制器中的当前微指令地址实现的。
微指令控制器在当前指令执行完毕后，根据状态转移条件来确定下一条微指令的地址，从而实现状态的转移。
四、实现过程8位机微程序控制器模型计算机的实现过程主要包括微程序存储器的设计、微指令控制器的设计以及各个部件的连接与控制。
8位模型计算机的设计
BUS←RAM，DR1←BUS
OUT←DR1
(5)JMP 指令
无条件转移指令 JMP，以紧跟在操作码后的字节的内容作为转移地址。将该
二. 指令系统结构及其功能确定 ..................... 5 1.模型及指令系统 ................................ 5 2.模型机的微指令 ................................ 6 3.微程序设计方法 ................................ 7
AR←PC, PC←PC ;以 AR 的内容作为去操作数的地址 BUS←RAM，AR←BUS ;AR 指向存放操作数的 ARM 单元 BUS←RAM，DR2←BUS ;RAM 中的数据通过 BUS 送 DR2
将 R0 中的数据送 DR1，即 DR1←R0
在 ALU 中进行加法运算，运算结果送 R0，即 R0←（DR1）+（DR2）
(3)STA 指令 向 RAM 写数据操作的 STA 指令已紧跟在操作码后的字节作为存放操作数的地
址，将 R0 中的数据存入该地址单元。首先将紧跟在操作码后的字节的内容送地 址寄存器 AR：
AR←PC，PC←PC+1 ；以 PC 的内容作为存数据的地址 BUS←RAM，AR←BUS ；AR 指向存放操作数的 RAM 单元 然后将 R0 的内容写入该地址的 RAM 单元中： BUS←R0，RAM←BUS (4)OUT 指令 输出指令 OUT，以紧跟在操作码后的字节作为读出数据的地址，将该单元的 内容通过 DR1 输出到 OUT 端口。首先将紧跟在操作码后的字节的内容送给地址 寄存器 AR： AR←PC，PC←PC+1 ；以 PC 的内容作为取数据的地址 BUS←RAM，AR←BUS ；AR 指向存放操作数的 RAM 单元 然后将 RAM 单元的内容读出到 DR1，并送往输出端口 OUT：
基于8位模型机的定点原码一位乘法的实现
8位模型机是一种通用的电子计算机，可以实现各种算法运算。
本文将重点介绍如何在8位模型机上实现定点原码一位乘法运算，以及具体的实现方法。
一、定点原码一位乘法运算介绍
定点原码一位乘法是指两个数在二进制表示下的乘法运算中，将其中一个数按照原码形式进行运算，即将数值和符号表示在不同的位上。
该运算可以用于处理正数、负数的乘法运算。
二、实现方法
在8位模型机中实现定点原码一位乘法，可以采用硬件电路或软件算法两种方法。
硬件电路方法需要设计乘法器，用于实现两个8位二进制数的乘法。
具体来说，乘法器需要先将其中一个数（被乘数）的符号位进行扩展，然后把两个数乘起来，最后将符号位重新还原。
这种方法的优点是速度快，但是实现难度较大。
软件算法方法可以采用循环累加法，即对于被乘数和乘数的每一位，分别进行乘法运算，然后将得到的乘积加起来，最终得到结果。
这种方法的优点是实现简单，但是速度相对较慢。
三、具体实现过程
本文以软件算法方法为例，介绍如何在8位模型机上实现定点原码一位乘法。
1. 首先定义两个8位二进制数作为被乘数和乘数。
2. 对于被乘数和乘数的每一位，进行乘法运算。
3. 将得到的乘积加起来，得到最终结果。
4. 对于结果的符号位进行处理。
5. 输出结果。
四、总结
本文介绍了在8位模型机上如何实现定点原码一位乘法运算，其中包括硬件电路和软件算法两种方法。
对于软件算法，采用循环累加法可以简单实现。
在实际应用中，可以根据不同的需求选择不同的实现方式。
该算法可以用于处理正数、负数的乘法运算，为计算机科学的发展提供了基础。
计算机组成原理8位模型机系统逻辑功能设计毕业论文
计算机组成原理8位模型机系统逻辑功能设计毕业论文目录第1章绪论 (1)1.1本课题发展概述 (1)1.2本课题的目的和意义 (1)1.3本课题所需技术要求 (2)1.4本课题发展现状 (2)1.5指导思想及主要解决问题 (3)第2章辅导答疑系统需求分析与设计 (4)2.1系统主要实现的目标 (4)2.2系统基本设计思想 (4)2.2系统功能需求分析 (5)2.2.1系统功能描述 (5)2.2.2数据流程分析 (5)2.2.3系统实体关系分析 (7)2.2.4系统数据库设计[16] (7)2.3系统可行性分析与环境要求 (9)2.3.1 可行性分析 (9)2.3.2系统环境要求 (10)第3章辅导答疑系统总体设计方案 (11)3.1系统体系结构设计 (11)3.1.1 客户端层设计 (11)3.1.2 中间层设计 (12)3.1.3 数据层设计 (12)3.2功能模块设计 (12)3.2.1学生模块主要功能 (13)3.2.2 教师模块主要功能 (13)3.2.3管理员模块主要功能 (14)3.3实现系统方案的关键技术 (14)3.3.1 Java技术简介 (14)3.3.2 JSP技术简介 (14)第4章辅导答疑系统详细设计与实现 (17)4.1系统架构的设计 (17)4.1.1常量层设计 (17)4.1.2系统资源层设计 (17)4.1.3系统WEB层设计 (17)4.1.4系统业务逻辑层设计 (17)4.1.5系统持久层设计 (18)4.2 MVC+DAO实现模块主要功能 (18)4.2.1 MVC框架 (18)4.2.2 MVC整体结构 (18)4.2.3页面控制器 (19)4.2.4视图 (20)4.2.5模型 (21)4.3管理员模块的实现 (21)4.3.1 Login.jsp登录页面 (21)4.3.2 LoginController登录控制器 (23)4.3.3 AdminDao管理逻辑 (23)4.3.4 AdminDaoImpl管理业务的实现 (24)4.3.5 DaoFactory静态工厂 (31)4.3.6 AdminVO对象 (32)4.3.7 Dbconnector数据库联接 (32)4.3.8 管理员登录截图 (35)第5章辅导答疑系统测试与评价 (36)5.1测试环境 (36)5.1.1 系统软件 (36)5.1.2 系统硬件 (36)5.2测试方案 (36)5.2.1管理员模块测试 (36)5.2.2教师模块测试 (37)5.2.3学生模块测试 (37)5.3部分功能测试结果图 (37)5.4 系统评价 (39)结论 ................................................ 错误！未定义书签。
8位模型机设计-指令系统及通用寄存器设计
东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院计算机组成原理课程设计专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.22~2015.1.2课程设计任务书专业：计算机科学与技术学号：学生姓名（签名）：设计题目：8位模型机设计－指令系统及通用寄存器设计一、设计实验条件综合楼808实验室二、设计任务及要求总的设计目标是：设计一个8 位的模型机，其组成为：总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位；●存储器:内存容量64K*8bit●控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号●运算器:单累加器，实现加、减等8种操作外设：●输入：用开关输入二进制量●输出：7段数码管和LED显示指令系统规模：64 条指令，7种类型，5种寻址方式本组任务是：1.设计12、15、22、32号指令；2.模型机的通用寄存器R1设计；3.BCD编码器的设计。
三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）设计内容如下：1、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中2、模型机硬件设计：通用寄存器R13、逻辑电路设计：BCD码编码器2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)1.融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；2.学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；3.培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。
3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）【系统设计】1、模型机逻辑框图图1 模拟机整体逻辑框图图2 XCV200芯片引脚图3 CPU逻辑框图2、指令系统设计：ADDC A, #II 将立即数II加入累加器A中带进位助记符：ADDC A, #II类型：算数运算指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节001011XX第二字节立即数：SUB A, EM 从A中减去存储器EM地址的值助记符：SUB A, EM类型：算数运算指令寻址方式：存储器直接寻址指令格式：第一字节001110XX第二字节存储地址：AND A, @R? 累加器A“与”间址存储器的值助记符：AND A, @R?类型：算数运算指令寻址方式：寄存器间接寻址指令格式：第一字节010101XX：MOV A, #II 将立即数II送到累加器A中助记符：MOV A, #II类型：数据传送指令寻址方式：立即数寻址指令格式：第一字节011111XX第二字节立即数3、微操作控制信号：外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
8位基本结构模型计算机设计——硬件测试与单步执行
每次双击的位置
数据输出，并控制液晶显示
8位CPU数据输出显示
微指令显示
单步执行8位基本结构模型计算机设计
在上实验中，数据改为外围输入形式
单步执行接入输入外围按键端输入端 绑定 PIN_V5
去掉JTAG_SP元件及相关部分
引脚绑定
注意程序路径
使用模式1
IN端口8数据显示
先按键7复位键一次，再连续 按此键8STEP键，同时观察 液晶显示数据。与仿真波 形数据进行比较。还可用 在系统测试工具或逻辑分 析仪进行测试比较。。。
调用In-System Sources and Probes Editor，选择 Tools-> In-System Sources and Probes Editor
数据输出，并控制液晶显示
8位CPU数据输出显示
下载后，要按一下液晶复位键
CPU复位，按下键1是低电平
微指令显示
In-System Sources and Probes测试工具在测试
RST键8
键2IN端口高4位数据输入键 I键1N端口低4位数据输入键
Cnt3内部电路
CC
CC元件的实现： IP Catalog 搜索LPM_Constant，选中LPM_Constant，并双击，输入name为CC，点击OK
CC
CC
引脚绑定 !!! 重新编译，下载到实验箱.
插入液晶模块，连接好排线。 下载好sof文件后，按液晶屏的复位键，并选择模式5，按键1进行CPU复位.
在系统测试电路模块P108
液晶显示通信模块
总原理图（红框为硬件测试改动的部分）
JTAG_SP IP Catalog 输入in-system 进行搜索，选添加元件“JTAG_SP”
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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八位模型机设计
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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
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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。
3.1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。
3.2设计任务............................................................................................ 错误!未定义书签。
3.3设计内容............................................................................................ 错误!未定义书签。
四、八位模型机整体设计.............................................................................. 错误!未定义书签。
4.1总体结构............................................................................................ 错误!未定义书签。
4.2指令系统 (9)
4.3运算器 (10)
4.4存储器 (11)
4.5控制器 (12)
4.6指令流程图和操作时间表 (15)
4.7微指令码 (15)
五、实验感想与讨论 (21)
六、参考文献 (22)
模型机的数据通路
3.操作类型
（1）传送指令：
MOV——传送，操作码00
（2）双操作数算数逻辑指令：
ADD——加法运算，操作码01
（3）双操作数算数逻辑指令：
SUB--减法运算，操作码10
（4）单操作数算数逻辑指令：
COM——求反，操作码11
4.3运算器
1.运算器的组成结构
（1）运算器使用的2片SN74181（负逻辑）组成，采用组内并行组间串行进位的方法，共8位，其组成图如下：
（2）运算器实现的功能表
A加A=2A，算术左移一位
4.4存储器
主存基本组成如下所示，根据MAR中的地址访问某个存储单元时，先经过地址译码、驱动等电路找到所需访问的单元，读出时，需经过放大器将被选中单元的存储字送到MDR，写入时，MDR中的数据也必须经过写入电路才能真正写入到被选中的单元中。
4.5控制器
1.控制器逻辑组成（结构图如下）
（1）控制存储器CM
采用只读存储器，用来存放微程序，每个单元存放一条微指令的代码，需要几十位
（2）微指令寄存器μIR
存放从控制存储器中读取的微指令，分为两个部分：
①微命令字段：直接作为微命令或者分成若干小段经译码后产生微命令
②微地址字段：指明后继地址的形成方式，使微程序连续执行
（3）微地址形成电路
提供两类微地址的形成方式：
①后继微地址：由现行微指令中的控制字段，现行微指令地址，微程序转移时的微指令地址，机器运行状态等决定。
②微程序入口地址：由机器指令的操作码等决定。
（4）微地址寄存器μAR
存放后继微地址
2.微程序的设计
针对模型机数据通路结构的需要，将微操作控制字段分为三个部分：
（1）基本数据通路操作的控制字段，其中包含输入选择、ALU功能选择、移位选择、内总线输出分配；
（2）访问主存的控制字段，其中包含地址选择、读写控制；
（3）辅助操作的控制字段，即将前两类基本操作未能包括的其它零星操作（如开中断、关中断等）归
为一类，称为辅助操作； 3.时序系统的设计
4、CPU 控制流程
模型机微指令格式：
3 3 5 2 2 3 1 1 1 1 2
4 AI
BI
SM
C 0
S
ZO
EMAR SIR
R
W
ST
SC
基本数据通路控制 访问控制 辅助 顺序控制 微操作控制字段
1.基本数据通路控制字段
P 微指令周期
微指令 打入 µIR 控制数据 通路操作
结果打入 目的地，
读取
后续微指令
后续微地址 打入 µAR
0010 按指令操作码OP断定，分支转移
0011 按OP与DR（目的寻址方式是寄存器型或非寄存器型）断定，分支转移
0100 按J（转移成功与否）与PC（指令中指定寄存器是否为PC）断定，分支转移
0101 按源寻址方式断定，分支转移
0110 按目的寻址方式断定，分支转移
0111 转微子程序，将返回微地址存入一个专设的返回微地址寄存器中，并由微指令第34--27位提供微子程序入口，
1000 从微子程序返回，由返回微地址寄存器提供返回地址
4.6操作流程图和时间表
MOV指令
FT0
EMAR CPPC
R CPT[P*]
SIR CPFT
PA->A CPDT。