(实验四简单模型机的设计与实现.docVIP

实验四 简单模型机的设计与实现 一、实验目的 1. 理解并掌握指令格式、寻址方式、指令系统的设计方法； 2. 进一步理解数据通路，提高分析、编排指令执行流程的能力； 3. 掌握组合逻辑控制器的设计方法，理解模型计算机的整机工作过程； 4. 提高基于Verilog HDL的硬件电路的设计、调试、测试能力。 二、实验设备与环境 DE2-70实验开发版，QuartusⅡ开发软件。 三、实验内容与步骤 1. 模型机的基本结构分析。 模型机的结构图如图1所示。要求：分析模型机的构成模块，包括运算器、存储器、寄存器、程序计数器PC、地址寄存器AR、指令寄存器IR，明确各部件的工作特性；分析模型机的总线互联结构，明确各部件间的信息通路。依据分析结果填写表1. 表1 部件功能及通路表 模块名 功能描述 输入数据来源 输入控制 输出数据目的地 输出控制 其他控制 信号名 有效电平（沿） 信号名 有效电平（沿） PC IR AR RAM Mem_BUS REG_A REG_B ALU REG_Z Alu_BUS data_in 2. 分析指令流程，手动执行指令。 memContent.hex（存储器初始化文件）文件中已存储了两条机器指令代码，依据上边步骤中对数据通路的分析，以及下边给出的指令说明、存储器初始化文件内容，手动发出控制命令，完成从取指到指令执行的整个过程。记录过程，填写表2。 指令格式：单字长一地址指令，采用直接寻址，所以可直接访问的地址范围为32B，并将REG_A作为累加器。 位： 7… …5 4……..0 指令功能 操作码 地址码 LDA X (X)-A ADD X (A)+(X)-A 存储器初始化文件内容： //指令 地址(十六进制) 指令代码(二进制) 助记符 说明 00 110 10000 LDA X // X=(10)16 01 001 10001 ADD X // X=(11)16 //数据 地址(十六进制) 数据(二进制) 10 0011 0011 11 0010 0000  图1 模型机结构图表2-1 指令流程控制信号 通路 ldpc pc_b ldir ir_b wr mem_b alu_b op[1] op[0] inc_pc 取指 T0 T1 T2 LDA 执行周期 T0 T1 T2 ADD 执行周期 T0 T1 T2 T3 T4 表2-2指令流程控制信号及输出信号 通路 RST ld_ar sw_b ld_b ld_a alu_z Addr信号值及含义 Databus信号值及其含义 取指 T0 T1 T2 LDA 执行 周期 T0 T1 T2 ADD 执行周期 T0 T1 T2 T3 T4 3. 实现模型机的自动连续运行。 （1）设计指令，包括指令格式、寻址方式，并分析编排指令流程。要求设计的指令能够通过编写程序对两个操作数实现至少两种运算，并实现HLT、IN、OUT、STA等指令，形成较完备的指令系统。给出指令格式、指令功能、及每条指令的指令流程。 （2）补充完善CU的Verilog代码，完善控制器CU的设计。从而实现模型机的自动连续运算。 步骤1：补充编写CU代码。 步骤2：打开memContent文件，向存储器初始化文件中写入十六进制的