基于Quartus II的微程序控制简易计算机的设计
顾 晖，王礼春，成 耀
（南通大学计算机科学与技术学院，江苏 南通226019）
【摘 要】 本文借助于Quartus II软件在计算机上仿真设计了一台微程序控制的简易计算机，通过介绍电路仿真的主要流程，我们可以加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。
【关键词】 Quartus II EDA 微程序控制 计算机 0 引言
Quartus II是由美国Altera公司开发的，是一款功能比较强的EDA工具软件，它的优
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势主要体现在其功能齐全，简单易用。
我们借助Quartus II6.0现有的器件，综合设计了一个简易计算机系统，并使用Quartus
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II6.0完成仿真，通过仿真波形展示该系统指令的执行流程，以及微指令的控制方法。 1 简易计算机系统的体系结构及功能模块设计
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一台微程序控制的简易计算机系统包含以下几个模块：
CEnalu-busALU输出缓冲(74244)RAM(256x8)WEs3s2s1s0ALUmAR(74273b)LDARDR1(74273b)LDDR1DR2(74273b)LDDR2PC输出缓冲(74244)nPC-BUSPC(74163)R0(74374b)LDR0nR0-BUSLDPCLOAD输入缓冲(74244b)nsw-bus微程序控制器时序产生器数据输入IR(74273b)LDIR
图（1） 微程序控制的简易计算机系统结构示意图
a) 运算模块，由ALU (两片74181)，数据寄存器DR1,DR2（两片74273）以及数据缓冲器ALU_BUF (一片74244)构成，完成DR1与DR2的各种运算；
b) 存储模块，由RAM(一片lpm_ram_dp0),RAM_BUF(一片74273),AR(一片74273)构成，由AR提供地址，完成RAM 的存取数据操作；
c) 程序计数器模块，由PC(两片74161),PC_BUF(一片74244)构成，完成保存指令地址，以及提供RAM存取操作所需地址(包含存取数据与指令)；
d) 微程序控制模块，由IR(一片74273)，微存储器(一片lpm_rom0),指令译码器(三片74273),以及一片74138（完成组合译码功能）构成，完成系统的控制功能；
e) 输入模块，由IN_BUF(一片74244)构成，完成输入端IN0～IN7的数据输入功能； f) 时序电路，由集成计数器（一片74161）及三八译码器（一片74138）构成，可产生时序信号。
微程序控制的简易计算机系统结构示意图请参考图（1）。
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1.1 时序电路
时序电路见图（1.1）。各个端口功能如下：
a) R_CLK，时序电路的原始时钟，用来产生三个连续的时钟脉冲IR_CP,ROM_CP,TR_CP； b) START，启动键，低电平时有效；
c) IR_CP，一个微指令周期的第一个上升沿，为指令寄存器IR的时钟信号； d) ROM_CP，一个微指令周期的第二个上升沿，为微存储器ROM及地址寄存器AR共用的时钟信号；
e) TR_CP，一个微指令周期的第三个上升沿，为指令译码器，数据寄存器DR1、DR2，寄存器R0及RAM存储器共用的时钟信号。
说明 ：该时序电路利用集成计数器74161的计数循环特性，通过选择三八译码器74138来产生三个连续的脉冲信号，以形成一个微指令周期。因本系统只是设计简易计算机系统，所以未设计RESET键。
1.2 微程序控制器模块
控制器模块译码后输出的控制信号见图（1.2）。各控制端功能如下： a) 0～5号控制端，输出下一条微指令在微存储器中的地址； b) 6号控制端LDR0，R0寄存器的时钟使能信号，高电平时有效；
c) 7号控制端，指示是否有下一条微指令，若有则执行下一条微指令，若无，则执行下一条指令；
d) 8～10号控制端，采取组合译码方式，分别用来选择控制端PC_BUF , ALU_BUF,IN_BUF,RM_BUF,以及R0寄存器的输出使能端，均为低电平时有效，当组合译码输出为000时表示不选择任何控制端；
e) 11号控制端LDRM，RAM存取操作时钟使能信号； f) 12号控制端LDAR，AR送地址操作的时钟使能信号；
g) 13号控制端LDDR2，数据寄存器DR2的时钟使能信号，上升沿到来时触发； h) 14号控制端LDDR1，数据寄存器DR1的时钟使能信号，上升沿到来时触发； i) 15号控制端LDPC，程序计数器PC的时钟使能信号，上升沿到来时触发；
j) 16号控制端LOAD，程序计数器PC的同步并行置数端，低电平有效，若要完成同步
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并行置数，必须要维持此信号到程序计数器PC的时钟信号上升沿到来之后；
k) 17号控制端W，RAM的读写控制端，高电平时为写，低电平时为读； l) 18号控制端CN0，运算器的低位进位端。低电平为有进位，高电平时为无进位（注：只有在算术运算时是有效的）；
m) 19号控制端M，高电平时控制运算器执行算术运算，低电平时控制运算器执行逻辑运算；
n) 20～23号控制端S0～S3，组合控制运算器执行不同的运算，如:1001时可以执行加（在19M号控制端为低电平，18号控制端CN0为高电平时有效）。
说明：微程序的输出控制端口（除六条微地址接口外）均是与其它模块相连接的控制端口，因此对其他模块的控制端口不再作进一步的阐述。
基于Quartus_II的微程序控制简_...
