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 指导老师 成 绩
目 录
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1. 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。
2. 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QUARTUSⅡ环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。 3. 方案选择
实习的内容为八位模型计算机的设计，为单总线，微程序控制方式，设置两种寻址方式：直接寻址（“0”）和寄存器寻址（“1”）。
微程序控制方式由微指令译码产生。微程序中一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干为命令以代码编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。然后根据系统的需要，事先编制各段微程序，将它存入控制存储器（CM）中。
微程序执行过程：
（1）从控存中逐条取出“取指令操作”，执行取指令公共操作。
（2）根据指令的操作码，经过微地址形成部件，得到这条指令的入口地址，并送入微地址寄存
器中。
（3）从控存中逐条的取出对应的微指令并执行。
（4）执行完一条机器指令对应的微程序后又回到取指微程序的入口地址，继续第（1）步，以
完成取下一条机器指令的公共操作。
微程序控制基本框图：
微命令序列 …… 指令代码 译码器 微地址 形成电路 微命令字段 微指令寄存器MIR PC 微地址字段
IR 运行状态 PSW
微地址寄存器MAR …… 控制存储器CM
图1 微程序控制基本框
4. 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：sta, add, sub, and1, jmp, shl, nop。实现功能分别如下：
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； and1指令实现与操作；
jmp 指令实现无条件跳转操作； shl 指令实现逻辑左移操作； nop 指令实现空操作。 7 5 4 1 0
操作码 寻址方式 标志位
图2 指令格式
模拟机采用了定长的指令格式，每条指令字长为8位。采用的寻址方式为直接寻址和寄存器寻址，标志位为“0”时为直接寻址，为“1”时为寄存器寻址。
操作码类型及编码方式如下：
操作码 编码方式 含义
sta 000 传送 add 001 加 sub 010 减 表1 指令列表
and1 011 与 jmp 100 跳转 shl 101 逻辑左移 nop 110 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。 PC R 微程序控制器 IR 控制信号 ALU MAR MDR ACC (1)寄存器的位数 所有的寄存器都均为8位： ① 通用寄存器R。该模拟机有1个通用寄存器，用于寄存器寻址时存放结果，提供操作数。 ② 指令寄存器IR。为了提高取指令的速度，将指令从内存中读出，经数据总线直接置入IR。 ③ 数据寄存器MDR、地址寄存器MAR。地址寄存器MAR提供访问主存的地址；数据寄存器MDR，把从内存取出的数据暂存于MDR中，在用到该数据进行运算时，再从MDR中取出数据进行运算。 微21 20 地alureg _ 址 _ srl bus ④ 19 18 17 16 15 14 13 12 loaaccloadpc_loaloadmdralud_p_bu_acc bus d_i_mar _bu_anc s PC。用于存放下一条指令的内存地址。r s d 程序计数器11 alu_acc 10 9 incadd_pc r_bus 8 7 6 cs r_alunw _add 5 alu_sub 4--0 下址 字段 图2 模拟机数据通路 RAM Flags (2)总线宽度：该模拟机只有一条总线，且总线宽度为8位。 (3)ALU位数及运算功能 ALU可以实现8位操作数的运算，即ALU的位数为8位。 ALU运算功能为： 加（001：add）、减（010：sub）、逻辑与（011：and）、左移（101：shl）、跳转（100：jmp）、
组成原理位模型机的设计
