简单8位模型机设计

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。

基于8位模型机的定点原码一位乘法的实现摘要：本文介绍了基于8位模型机的定点原码一位乘法的实现方法。

首先介绍了定点原码乘法的基本概念，然后详细讲解了实现过程中所需的寄存器、逻辑电路和运算流程，并给出了具体的示例。

最后，对该方法的优缺点进行了讨论，并提出了改进方法。

关键词：定点原码乘法；8位模型机；寄存器；逻辑电路；运算流程；优缺点；改进方法一、引言定点原码乘法是数字电路设计中的基本运算之一，其实现方法多种多样。

本文介绍了基于8位模型机的定点原码一位乘法的实现方法，该方法具有简单、直观、易于理解等优点，适合初学者学习。

二、定点原码乘法的基本概念定点原码乘法是指两个定点数相乘的运算。

定点数是指小数点位置固定的数，一般用二进制表示。

定点数可以分为无符号数和有符号数两种。

无符号数是指没有正负之分的数，而有符号数则包含正负两种情况。

在定点原码乘法中，两个数的小数点位置相同，相乘后的结果的小数点位置也相同。

在计算机中，定点原码乘法通常使用加法器和移位器实现。

三、实现过程1. 寄存器实现定点原码乘法需要使用多个寄存器，主要包括乘数寄存器、被乘数寄存器、积寄存器、进位寄存器等。

乘数寄存器用于存储乘数，被乘数寄存器用于存储被乘数，积寄存器用于存储乘积。

进位寄存器用于存储进位信号，通常为1或0。

2. 逻辑电路实现定点原码乘法需要使用多个逻辑电路，主要包括加法器、移位器、比较器等。

加法器用于实现乘法中的加法操作，移位器用于实现乘法中的位移操作，比较器用于判断乘积是否溢出。

3. 运算流程定点原码乘法的运算流程如下：（1）将乘数和被乘数分别存入乘数寄存器和被乘数寄存器中；（2）将积寄存器清零；（3）按位乘法的规则，将乘数的最低位与被乘数相乘，并将结果加到积寄存器中；（4）将乘数右移一位，被乘数左移一位；（5）重复步骤3和步骤4，直到乘数的所有位数都处理完毕；（6）判断乘积是否溢出，若溢出则进行相应的处理。

4. 示例以乘数为1011，被乘数为1101为例，演示定点原码乘法的实现过程。

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。

摘要随着计算机在人们生活中重要性和不可或缺性的提高,为了更方便的为大众使用,发展计算机性能成为IT行业的热点,但计算机的部结构极其复杂,为了便于研究便产生了模型计算机。

本文完成了基于VHDL的8位模型计算机的设计与实现。

文中首先阐述了8位模型计算机的原理,然后对其十个功能模块〔算术逻辑运算单元,累加器,控制器,地址寄存器,程序计数器,数据寄存器,存储器,节拍发生器,时钟信号源,指令寄存器和指令译码器进行了分析与设计。

最后在Quartus II 9.0环境下进行了仿真,完成了8位模型计算机的整体实现。

本文综合了计算机组成原理和数字逻辑与系统设计的知识,设计的8位模型计算机能更方便的了解计算机部构造和工作原理。

整个系统的开发体现了在Quartus II软件平台上用VHDL设计数字控制系统的实用性。

关键词：8位模型机； Quartus II ；VHDL语言AbstractWith the improvement of importance and indispensability in computer in people's life,in order to use more conveniently for public ,computer performance is becoming a hot in the IT industry development.but the internal structure of the computer is very complicate,Computer model simplifies the difficulty of the research.This article completed the design and implementation of eight model computer based on VHDL.First ,this article expounds the principle of eight model computer,then divides it into 10 modules<arithmetic logic unit, accumulator, controllers, address register, the program counter and data registers, memory, beat generator, a clock signal, instruction register and instruction decoder>and analyse and design each of them.Finally under the environment of the Quartus II 9.0 simulation, completed overall implementation of the 8 model computer. The analysis and design of the eight model computer integrated the knowledge of computer constitute principle and Digital logic and system design. The design of the eight model computer can be more convenient to understand internal structure and working principle.The whole system development manifests the practicability of designing the numerical control system on the Quartus II software platform with VHDL.Key words:eight model computer ; VHDL language; Quartus II目录1 绪论11.1 本课题研究的目的11.2 本课题研究的背景及意义12 基于VHDL编程的基础知识32.1 VHDL语言概述32.2 VHDL的设计流程 (4)2.3 有关Quartus II 的介绍52.4 本课题基于Quartus II的设计流程73 基于VHDL8位模型机的原理与设计73.1 模型计算机的原理73.2 模型机的总体设计要求83.3 模型机逻辑框图的设计83.3 模型机的指令系统设计83.4 模型机的指令执行流程设计83.5 基于VHDL8位模型机各模块的设计与实现 (10)3.5.1 算术逻辑单元ALU模块103.5.2 累加器模块113.5.3 控制器模块123.5.4 节拍发生器143.5.5 指令寄存器模块IR和指令译码器163.5.6 时钟产生器173.5.7 程序计数器模块183.5.8 地址寄存器MAR203.5.9 存储器RAM213.5.10 数据寄存器DR224 基于VHDL的8位模型计算机的实现234.1 基于VHDL的微程序执行流程图234.2 8位模型机的顶层原理图设计244.3 基于VHDL的8位模型机工作流程244.4 顶层VHDL源程序设计254.4.1 头文件cpu_defs的VHDL设计254.4.2 CPU的VHDL源程序设计264.5 8位模型机的整体实现34结论34致 35参考文献36附录A 英文原文.......................................... 错误!未定义书签。