计算机硬件课程设计设计报告学号：姓名：成绩：学号：姓名：成绩：东南大学计算机科学与工程系二0 10 年12 月目录1.实验名称 (2)2.实验目的 (2)3.实验任务……………………………………………………………………… 2.4.主要特色 (2)5. 设计方案 (3)5.1 数据格式和指令系统 (3)5.2本设计的体系结构 (5)5.测试结果与性能分析 (20)6.课程设计总结 (22)1．实验名称微程序控制的模型计算机的设计与调试2．实验目的1．综合运用“计算机组成原理”和“数字电路”等课程的知识，通过对模型机的设计和调试，加深对计算机各部件工作原理的认识。
2．进一步掌握运用EDA技术进行设计和调试的工作方法。
3．掌握计算机硬件设计的思想，方法及工作过程，进一步培养工程设计的能力。
3．实验任务1．自行规定数据格式和指令格式，在所提供的条件范围内设计一台由微程序控制（也可以用其他方式如组合逻辑等）的模型计算机。
2．根据设计方案，将模型机调试成功。
3．整理出相关文件。
（1）数据格式和指令系统。
（2）总框图。
（3）详细电路图或有关电路的VHDL语言源程序。
（4）微指令格式和微程序。
（5）调试过程和测试结果（包括测试程序）。
4．主要特色1．增加了ROM的宽度，改为24位，使得可以在一个时钟内读出24位的微指令。
2．对电路进行了合理的修改，具体增加了SRC. DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到RA,RB的译码电路。
3．SRC. DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到WA,WB的译码电路，实现了对于源操作数的写入。
4．由微指令到8CPU中对应的端口译码。
5．重新构造了ROM，RAM，修改了时序电路，调整了M1,M2,M3,M4的时序。
6．除了书上要求的指令微程序以外，还对微程序进行了扩充，加了逻辑左移指令：SAL(每次执行左移一位)，以及乘法指令：MUL(8位与8位数据相乘，得到16位数据高8位写回源操作数，低8位写回目的操作数)7．修改了M1,M2,M3,M4的连接电路。
8．通过用软件模拟的方法，成功的构造了一个简单的CPU，更加熟练的学会使用EDA技术。
试验中结合了数字实验和组成原理部分内容。
9．用简单易读的方式排列24位控制信号，使得操作更加简便，如图所示5．设计方案5.1数据格式和指令系统（参考教材）采用8位数据通路，数据采用8位二进制定点表示。
7 6 5 4 3 2 1 0.设置7条机器指令和两条面板操作指令（1）面板操作指令（因为没有一BIOS 及操作系统，所以用面板指令进行初始化，启动机器）a.输入地址为PC置初始值，即输入程序的起始地址，当K1开关置“1”，K2开关置“0”时执行此操作。
b.输入程序将程序输入到内存的指定区域，当K1，K2开关均置“1”时，由面板输入开关输入程序c.本模型机设置K3开关，K3置1表示执行单步操作。
d.START表示启动开关。
（2）指令系统a.指令格式操作码寻址方式7 6 5 4 3 2 1 0有二种寻址方式寄存器寻址操作码R目R源7 6 5 4 3 2 1 0直接地址寻址由于地址要占用一个字节，所以此类指令为双字节指令。
操作码R目R源内存地址b.9条机器指令IN R；从开关输入数据送入到指定的寄存器R。
格式：0 0 0 1 R目0 0OUT R；从指定的寄存器R中取出数据送入到输出缓冲器，显示灯亮。
格式：0 0 1 0 0 0 R源LD R , address ；从内存指定单元取出数据，送入指定的寄存器R。
格式：0 0 1 1 R目0 0内存地址ST address, R; 从指定的寄存器R中取出数据，存入内存指定单元。
格式：0 1 0 0 0 0 R源内存地址ADD R1，R2；将两个寄存器中的数据相加，结果送到R1。
格式：0 1 0 1 R目R源JMP address; 无条件转移，即address PC。
格式：0 1 1 0 0 0 0 0内存地址HALT ；停机指令。
MUL R1，R2；将两个寄存器中的数据相乘，结果高8位送到R1，低8位送到R2。
格式：1 0 1 0 R目R源SAL R；将R中的数据左移一位，结果送到R1。
格式：1 0 0 1 R目5.2本设计的体系结构为了简单方便起见，我们采用单总线结构，总体机构和CPU内部结构设计如图所示总体结构图CPU内部结构1．数据通路设计（1）采用Quartus—II软件工具，先设计出运算器部分，如图所示.ALU.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。
（2）采用Quartus—II软件工具，先设计出运算器部分，如图所示MUL.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。
介绍数据通路时打开8CPU.bdf（2）根据指令系统，数据通路中应包括寄存器组，存储器等，采用单总线结构，截图一分为二（1）（2）其中为了做乘法，我们对8cpu加了6个控制信号，如图所示2．控制器设计（1）控制器总框图.控制信号（2）微指令格式和微命令首先对数据通路进行分析，需要22个控制信号。
此外还要2个信号：UPC （表示一段微程序结束），HALT（停机），共需要24个控制信号。
采用水平型格式表示。
控制数据通路的16个信号说明如下：G1，G2，G3，G4ramormul，cmul 分别控制6个多路开关A，B，C，D，EO，P，Q 分别控制对应的寄存器输入F 控制计数器PC的输入和计数I 控制指令寄存器的输入DEST 目的寄存器的读出控制信号SRC 源寄存器的读出控制信号WE 对RAM的写入信号GWN 通用寄存器组的写入信号LDN PC置初值的控制信号SRCWE 源或目的寄存器的写入信号（3）控存的安排和时序信号本方案采用的时序控制信号是由74393b产生的。
对于时序，本来是有六个时钟周期的，我们将其缩短在了四个，有效的提高了运行效率。
修改后的时序电路图时序脉冲（4）微地址入口电路的设计为简单起见，微地址采用8位，其高4位由指令操作码控制，低4位由一个4位的计数器控制。
将ROM的高段地址区用于存放面板指令的微程序，低段地址存储区存放一般指令的微程序，控制电路可参考图6。
图3-6 微地址入口电路（5）微命令译码电路a.本方案中寄存器组采用的是74670芯片，每次写入可以为源寄存器，也可以为目的寄存器，所以Wa,Wb要经过译码与IR2，IR3连接，读出时目的和源寄存器均可读出，所以依然要用译码电路。
电路设计如下：写寄存器译码电路读寄存器译码电路b.停机电路以下几种情况需停机：（a）总清. (b) 执行单指令操作，且一条指令执行完。
(c) 执行停机指令。
根据这三种情况可以设计出停机电路。
c.UPC微命令表示一段微程序结束，因此该命令要做的工作是：（a）置“0”微程序计数器（74161）。
（b）置“0”指令寄存器。
3．微程序和总电路图微程序定义如下：8cpu中的端口译码电路如下：Rom修改为24位，修改电路如下：24位重新排列微指令顺序8CPU重新封装效果图CPU总的电路图：（截成四部分）时序及upc产生部分8cpu及寄存器读写译码部分控制信号译码部分Rom及取微指令部分、6．测试结果与性能分析（测试程序、时序图、编译报告中资源使用情况）仿真：微程序和电路设计完成后，进行编译，并通过仿真来检验cup的各项功能。
仿真时，先用面板指令输入程序的起始地址和一段小程序。
我们输入的程序为：初始地址为00H，即Ram中程序如下：进行仿真，首先开关K1置1，K2置0，kdata为00H，为PC置初始值00即程序口地址，接着将K1置0，执行程序。
此时，我们置kdata始终为02H，通过IN指令输入到R0和R1中，然后继续执行程序！建立vwf文件如下:仿真结果如下:7．课程设计总结本实验是设计一个小型CPU，主要工作是在给定的CUP主体结构上完善电路，修正已有电路错误以及设计微程序。
本实验有相当的综合性：在实践过程中，我们充分使用了组成原理、微机接口、数字电路等相关知识。
通过本次实验，我们对CPU的结构和工作原理有了切实的认识。
尤其在总线，时序，微指令等方面，投入的时间不少，体会很深。
我们深刻理解了总线作为指令和数据传输的道路和桥梁，在CUP的工作过程中扮演的重要角色；弄懂了通过时序的调节解决总线的冲突的方法；在全面细致地分析了CUP结构和工作原理的基础上，我们掌握了编写微指令的方法与技巧。
通过组内讨论和求教于老师、同学，我们顺利的完成了基本的实验目标，并做了进一步研究。
利用加法指令，我们增加了SAL（左移一位）指令。
采用控制RA、RB读信号的控制思路，我们使得源、目的寄存器均可写入。
在此基础上，我们引入了8位乘法器，将结果——16位二进制数，成功写入源、目的寄存器。
对现有的24位控制信号，我们充分利用了每一位。
同时，我们注意到实验中还有很多可以改进的地方。
由于时间和给定CPU规格的限定，很多想法未能实施。
比如，编写微指令时，我们注意到：一条指令中的某条指令在M3时已经完成，空等一个M4，才取下一条。
这样的情况并不少见。
如果将执行微指令、取微指令等改为下降沿也能触发，就可以把下一条提到M4做，这就省了一个整个指令周期。
宏观的时间节省量自然也十分可观。
再如，实验提供的ROM为24位，这使得控制信号剩余不多，一旦想多加其它组件，就会为之苦恼。
我们想到自取名为“多面手控制信号”的解决方案：对于互斥的两条指令A和B（如ADD和MUL（肯定不会同时做）），可以根据需要，让A的控制型号同时控制B，所需做的额外工作是修改ROM中的微指令即可。
比起想法设法地扩展ROM，这种方法既快速，又充分利用资源。
实验提供的CPU中有不少这样的控制信号，值得好好利用。
当然，缺点也显而易见，由于控制信号一对多，修改、删除时得慎之再慎，增加了CUP维护的难度。
总之，通过本次实验，我们体会了学以致用的快乐，为进一步的深入的学习增添了几分信心。