8位模型机的设计

计算机硬件课程设计报告——拓展接口的复杂模型机设计学院：计算机科学与工程学院专业：计算机科学与技术班级：组员1：组员2：起止时间：目录一、实验目的 (3)二、实验内容 (3)三、实验思路 (3)四、实验原理 (3)五、实验步骤 (10)六、实验设计 (11)七、实验心得 (14)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、实验内容搭建一台有拓展接口的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1、指令系统及指令格式（1）数据格式8位。

（2）指令格式：指令系统应包括：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。

一般指令格式如下：O P-C O D E（4位）R S（2位）R D（2位）D A T A /A D D R （8位）其中R S 、R D 可以是R 0、R 1、R 2中任一个，它们的代码分别为00、01、10。

计算机组成原理实验指导书王潇编写仲恺农业工程学院计算机科学与工程学院二00八年十月目录第一章TEC-XP16实验计算机系统原理 (1)§1.1TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述 (1)§1.2TEC-XP16机指令系统 (8)§1.3TEC-XP16机运算器部件 (12)§1.4TEC-XP16机内存储器部件 (15)§1.5TEC-XP16机的控制器部件 (18)§1.6TEC-XP16机的输入输出及中断 (22)第二章TEC-XP16实验计算机系统实验内容 (24)实验一基础汇编语言程序设计 (24)实验二脱机运算器实验 (29)实验三存储器部件教学实验 (32)实验四组合逻辑控制器部件教学实验 (37)实验五微程序控制器部件教学实验 (51)实验六输入/输出接口扩展实验 (59)实验七中断实验 (63)实验八8位模型机的设计与实现(综合实验) (71)附录 (74)附录1 联机通讯指南 (74)附录2TEC-XP16计算机组成原理实验系统简明操作卡 (77)附录3微程序入口地址映射表 (78)附录4指令流程框图 (80)附录5指令流程表 (82)附录6书写实验报告的一般格式 (86)参考文献 (87)第一章TEC-XP16实验计算机系统原理§1.1 TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述一、教学计算机系统的实现方案和硬软件资源概述TEC-XP是由清华大学计算机系和清华大学科教仪器厂联合研制的适用于计算机组成原理课程的实验系统，主要用于计算机组成原理和数字电路等的硬件教学实验，同时还支持监控程序、汇编语言程序设计、BASIC高级语言程序设计等软件方面的教学实验。

它的功能设计和实现技术，都紧紧地围绕着对课程教学内容的覆盖程度和所能完成的教学实验项目的质量与水平来进行安排。

其突出特点是硬、软件基本配置比较完整，能覆盖相关课程主要教学内容，支持的教学实验项目多且水平高。

目录摘要 (2)前言 (3)正文 (4)一、设计目的和设计原理 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计原理 (4)二、总体设计 (7)三、详细设计 (8)3.1运算器的物理结构 (8)3.2存储器系统的组成与说明 (11)3.3指令系统的设计与指令分析 (12)3.4微程序控制器的逻辑结构及功能 (14)3.5微程序的设计与实现 (18)四、系统调试 (27)总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)摘要根据设计任务书要求，本设计要实现完成一个简单计算机的设计，主要设计部分有运算器，存储器，控制器以及微指令的设计。

其中运算器由运算芯片和寄存器来完成,存储器由总线和寄存器构成，使用硬布线的方式实现控制器，从而完成设计要求。

:关键词：基本模型机的设计；运算器；存储器；控制器；前言计算机组成原理是计算机科学技术学科的一门核心专业基础课程。

从课程的地位来说，它在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。

计算机组成原理讲授单处理机系统的组成和工作原理，课程教学具有知识面广，内容多，难度大，更新快等特点。

此次课程设计目的就是为了加深对计算机的时间和空间概念的理解, 增强对计算机硬件和计算机指令系统的更进一步了解。

计算机组成原理课程设计目的是为加深对计算机工作原理的理解以及计算机软硬件之间的交互关系。

不仅能加深对计算机的时间和空间的关系的理解，更能增加如何实现计算机软件对硬件操作，让计算机有条不紊的工作。

正文一、设计目的和设计原理1.1设计目的融会贯通计算机组成原理课程中各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬连线控制器的认识，建立清晰的整机概念。

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。

在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。

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。

计算机组成原理实验之基于复杂模型机两个8位二进制数乘法的实现本文将讨论计算机组成原理实验中基于复杂模型机实现两个8位二进制数乘法的方法和过程。

首先，我们需要了解什么是复杂模型机。

复杂模型机是一种指令集较为丰富的模型机，它可以对各种计算机组成原理相关的知识进行实验，包括数据传输、算术运算、控制逻辑等。

通过使用复杂模型机，我们可以更加直观地理解计算机的工作方式。

在该实验中，我们需要实现两个8位二进制数的乘法。

具体步骤如下：1.首先，我们需要设计一个乘法单元，该单元可以将两个8位的二进制数进行乘法运算，并输出结果。

乘法单元可以采用循环加法的方法实现，即将其中一个乘数逐位与另一个乘数相乘，并将结果累加。

在循环中，需要使用一个累加器来存储运算结果。

2.在乘法单元的设计中，我们需要考虑进位和溢出情况。

当两个二进制数相乘得到的结果超过8位时，我们需要保留最低的8位，并且判断是否有进位。

当运算结果超过8位时，我们需要对结果进行截断，并输出进位信息。

3.实现乘法单元时，还需要考虑符号位的处理。

由于本实验中我们只考虑无符号二进制数的乘法，因此我们可以忽略符号位的处理。

4. 实验中可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行乘法单元的设计和仿真。

利用仿真工具，我们可以对设计的乘法单元进行测试和调试，确保其功能正确。

5.在设计和实现完乘法单元后，我们可以将其集成到复杂模型机的指令集中。

具体实现方式可以根据复杂模型机的架构和指令集设计进行调整。

通过以上步骤，我们可以实现两个8位二进制数乘法的功能。

在实验中，我们可以通过提供不同的测试用例来验证乘法功能的正确性，并观察乘法单元的输出结果是否符合预期。

此外，我们还可以将乘法单元与其他指令进行组合，进一步实现复杂的运算和应用，以加深对计算机组成原理的理解。

总结起来，基于复杂模型机实现两个8位二进制数乘法的实验需要进行乘法单元的设计和实现，并将其集成到复杂模型机的指令集中。

硬件课程设计报告——基于微程序的复杂模型机设计硬件课程设计报告——基于微程序的复杂模型机设计一、硬件课程设计目的经过一系列硬件课程的学习及相关实验之后，做一个综合的系统性设计，这在硬件方面是一个提高，可进一步培养实践能力。

二、硬件课程设计内容搭建一台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、指令系统列表采用的一般指令格式为：7 4 3 2 1 0四、微操作流程图R1->BUSR1->BUS BUS->DR2 R1->BUS BUS->DR2 R1->BUS五、验证程序IN R0MOV R1,05HADD R1,R0MOV R1,[R0]SUB R0,R1JNZ P1MOV [R0],R0AND R0,R1P0: OUT R0P1: OR R0,R1JMP P0六、机器指令及微程序机器指令如下：$P0000 ; IN R0$P0121$P0205 ; MOV R1,05H$P0354 ; ADD R1,R0$P0441 ; MOV R1,[R0]$P0531 ; SUB R0,R1$P0660$P0731 ; JZ(JC)$P0870 ; MOV[R0],R0$P0984 ; AND R0,R1$P0A10 ; OUT R0$P3132 ;JZ(YES)$P3294 ;OR R0,R1$P33A0$P340A ;JMP微指令如下：$M00018001 ;00→01$M0101ED82 ;PC→AR,PC+1$M0200C050 ;RAM→BUS,BUS→IR,P(1)$M10001001 ;INPUT→R0$M1201ED83 ;PC→AR,PC+1$M03009001 ;RAM→BUS,BUS→R1$M1301A404 ;R0→BUS,BUS→DR1$M0401B205 ;R1→BUS,BUS→DR2$M05619A01 ;DR1减DR2→R0$M1401E206 ;R0→BUS,BUS→AR$M06000901 ;RAM→BUS,BUS→R1$M1501A407 ;R1→BUS,BUS→DR1$M0701B208 ;R0→DR2,BUS→DR2$M08959B41 ;DR1加DR2→R1$M1601ED89 ;PC→AR,PC+1$M0900E0E0 ;RAM→BUS,BUS→AR,P(3)$M3000D181 ;RAM→BUS,BUS→PC$M20018001 ;空操作$M1701E20A ;R0→BUS,BUS→AR$M0A028401 ;R0→BUS,BUS→RAM$M1801A40B ;R0→BUS,BUS→DR1$M0B01B20C ;R1→BUS,BUS→DR2$M0CB99A01 ;DR1DR2→R0$M1901A40D ;R0→BUS,BUS→DR1$M0D01B20E ;R1→BUS,BUS→DR2$M0EE99A01 ;DR1+DR2→R0$M1A01ED8F ;PC→AR,PC+1$M0F00D181 ;RAM→BUS,BUS→PC$M11030201 ;R0→OUTPUT七、实验截图八、心得体会实验总体来说还是比较容易的，就是在输入微程序和老师的测试程序时比较费力，弄不好又要重新输入（后来听说可以使用软件直接烧制）。

实验六：复杂模型机的设计与实现精编版MQS system office room 【MQS16H-TTMS2A-MQSS8Q8-MQSH16898】实验五复杂模型机的设计与实现一、实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。

二、实验设备Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。

三、数据格式及指令系统1.数据格式其中第7。

2.指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。

⑴算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：其中，OP-CODE其中9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。

⑵访问指令及转移指令模型机设计2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC指令使用）。

D为十⑶I/O指令输入（IN）和输出（⑷停机指令 指令格式如下：HALT 3. 指令系统本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其它指令1条。

下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表5-1图5-1复杂模型机微程序流程图按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代四、实验方法㈠键盘操作⑴首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控／在线”。

在待命状态0下按【减址】键，LCD 显示器显示工作模式选项：按【增址】键，将光标移到“MUD ”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“y ”（搭接）或“n ”（在线），按【减址】键确定：接着系统询问用户是否使用扩展I/O 方式，按【增址】键选择“y ”（扩展I/O ）或“n ”（微控制器关联），按【减址】键确定：确定设置后，系统返回待命状态0。

简易计算机系统综合设计设计报告一、设计目的完整、连贯地运用《数字逻辑》所学到的知识，熟练掌握EDA工具基本使用方法，为学习好后续《计算机原理》课程做铺垫。

二、设计内容①按照给定的数据通路、数据格式和指令系统，使用EDA工具设计一台用硬连线逻辑控制的简易计算机；②要求灵活运用各方面知识，使得所设计的计算机具有较佳的性能；③对所设计计算机的性能指标进行分析，整理出设计报告。

④设计出各个部分的分部件，包括：时序部件：指令寄存器IR，C寄存器，Z寄存器，指令计数器PC，时钟SM，通用寄存器组，IN部件，OUT部件，存储器RAM组合部件：ALU、指令译码器，控制器，位移逻辑，3-1多路复用器。

三、详细设计3.1设计的整体架构3.1.1整个模型机分为14个模块，由若干个时序部件模块、组合逻辑电路模块以及三态门、逻辑门组成。

其中时序部件模块有SM、指令寄存器IR，存储器RAM、指令计数器PC、通用寄存器G_REGISTER、IN模块、OUT模块、Zf模块、Cf模块，组合逻辑电路模块有8重3-1多路复用器、指令译码器command_decoder、控制信号模块CTL、ALU、移位逻辑。

设计的模型机原理图如下：3.1.2数据格式与指令系统3.1.2.1数据格式数据字采用8位二进制定点补码表示，其中最高位（第7位）为符号位，小数点可视为最左或最右，其数值表示范围分别为：-1≤X＜+1或-128≤X＜+127。

3.1.2.2寻址方式指令的高4位为操作码，低4位分别用2位表示目的寄存器和源寄存器的编号，或表示寻址方式。

共有2种寻址方式。

⑴寄存器直接寻址当R1和R2均不是“11”时，R1和R2分别表示两个操作数所在寄存器的地址（寄存器编号），其中R1为目标寄存器地址，R2为源寄存器地址。

R1或R2的值指定的寄存器00A寄存器01B寄存器10C寄存器⑵寄存器间接寻址当R1或R2中有一个为“11”时，表示相应操作数的地址在C寄存器中。

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,RD MOV RS,[ADDR] JZ ADDR IN 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。

DATA/ADDROP-CODE RS RD DATA/ADDR00 M OPCODE RD4.2微指令格式：WE A9 A80 0 0 INPUT0 0 1 RAM读1 0 1 RAM写1 1 0 LED,写接口0 1 1 无0 1 0 写接口299移位控制表299-b s1s0m功能0 0 0 任意保持0 1 0 0 循环右移0 1 0 1 带进位循环右移0 0 1 0 循环左移0 0 1 1 带进位循环左移任意 1 1 任意装数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。

HL-CPTH+ 八位、十六位计算机组成原理与系统结构实验仪一、系统简介CPTH+是我公司吸收了国内先进的计算机组成原理实验仪的优点,研制开发的一款八位、十六位兼容设计的计算机组成原理和系统结构实验仪，系统由八位机主板和十六位机扩展实验板组成，主板以八位机模式，用TTL74系列器件加多片在线可编程CPLD构建模型机部件，大大提高了实验系统可靠性和二次开发的灵活性,让学生以可视方式观察CPU内各部件工作过程和模型机的实现。

扩展实验板以十六位机模式，用12万门EP1C6芯片构建模型机所有部件，并配置64K×16位存储器，通过VHDL语言编程，可设计16位机的部件和模型机，学生将设计好的电路下载到FPGA芯片上，实现16位机的部件和模型机功能；也可完成其它设计性实验和课程设计实验。

在对八位机了解的基础上，让学生对十六位计算机组成原理有更深刻的理解，实现质的飞跃，为FPGA设计CPU打下坚实基础。

满足不同层次的教学的需求。

系统软件提供了详尽的信息窗口、运行图表和多类帮助信息,使教学的过程轻松自如。

二、系统特点（1）先进的硬件设计，充分展示计算机结构模型，每个模块均有数码管实时监视，模块间线条明快，数据/指令流向一目了然。

（2）完善的硬件配置，实验电路以分立器件为主，同时配备CPLD，支持部分模块的重构。

（3）开放的软硬件设计，支持用户新建指令/微指令的系统设计。

（4）控制器的有机结合，只需拨动选择开关，就可实现微程序或组合逻辑控制的切换。

（5）提供多种工作方式，支持手动、脱机、联机。

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