计算机组成系统实验备课2010.doc

第3章 计算机组成系统实验的要求、原理及方法 3.1 实验的题目和内容 3.1.1 实验的题目 设计一台嵌入式CISC模型计算机（采用定长CPU周期），并运行能完成一定功能的机器语言程序进行验证，程序功能可从以下两上题目中任选一个： A类（最高成绩为“95”）： ●输入包含10个整数（8位二进制补码表示）的数组M并存于RAM中，访问RAM中的数组元素，输出最小的负数。 B类（最高成绩为“85”）： ●输入包含10个整数（8位二进制补码表示）的数组M（不采用RAM），输出最小的负数。 3.1.2实验完成的内容 1.完成系统的总体设计，画出模型机数据通路框图； 2.设计微程序控制器（CISC模型计算机）的逻辑结构框图； 3.设计机器指令格式和指令系统； 4.设计时序产生器电路； 5.设计所有机器指令的微程序流程图； 6.设计操作控制器单元； 在CISC模型计算机中，设计的内容包括微指令格式（建议采用全水平型微指令）、微指令代码表（根据微程序流程图和微指令格式来设计）和微程序控制器硬件电路（包括地址转移逻辑电路、微地址寄存器、微命令寄存器和控制存储器等。具体电路根据微程序控制器的逻辑结构框图、微指令格式和微指令代码来设计）。 7.设计模型机的所有单元电路，并用VHDL语言（也可使用GDF文件----图形描述文件）对模型机中的各个部件进行编程，并使之成为一个统一的整体，即形成顶层电路或顶层文件； 8.由给出的题目和设计的指令系统编写相应的汇编语言源程序； 9.根据设计的指令格式，将汇编语言源程序手工转换成机器语言源程序，并将其设计到模型机中的ROM中去； 10.使用EDA软件进行功能仿真，要保证其结果满足题目的要求；（其中要利用EDA软件提供的波形编辑器，选择合适的输入输出信号及中间信号进行调试。） 11.选用给定的FPGA芯片----EP1K30TQC144，进行器件编程和时序仿真，并将顶层电路或顶层文件下载到专用的EDA实验台----GW48 EDA教学实验系统上后进行操作演示。 3.2 实验的基本要求 该实验作为一门独立的课程，要求学生掌握CISC模型机的组成和工作原理，学会Altera MAX+plusⅡ EDA软件的使用，能用VHDL语言设计一个能完成一定功能的模型计算机，并通过仿真一个程序的执行来验证模型机设计的正确性。 3.3 实验的具体步骤 ★（范例）求1到任意一个整数N之间的所有奇数之和并输出显示，和为单字长。 说明：N从开关输入，和从数码管输出，然后输出显示停止。 3.3.1 完成系统的总体设计 采用了RAM和单数据总线结构运算器的系统框图 *采用三数据总线结构运算器的微处理器系统总体设计及顶层电路图 说明：范例中设计时，外部时钟信号上边沿有效。 3.3.2 设计控制器的逻辑结构框图 说明： 在T4内形成微指令的微地址，并访问控制存储器，在T2的上边沿到来时，将读出的微指令打入微指令寄存器，即图中的微命令寄存器和微地址寄存器。 3.3.3 设计机器指令格式和指令系统 由此可见，本模型机中的指令系统中共有8条基本指令，下表列出了每条指令的格式、汇编符号和指令功能。 助记符号 指令格式 功 能 IN1 Rd 1 0 0 0 ×× Rd 将数据存到Rd寄存器 OUT1 Rs 1 1 1 1 Rs ×× (Rs)→LED ADD Rs,Rd 1 1 0 0 Rs Rd (Rs)+(Rd)→Rd CMP Rs,Rd 1 0 1 0 Rs Rd (Rs)-(Rd),锁存CY和ZI INC Rd 1 1 0 1 ×× Rd (Rd)+1→Rd MOV Rd,data 1 0 0 1 ×× Rd data data→Rd JMP addr 1 1 1 0 ×××× addr addr→PC JB addr 1 0 1 1 ×××× addr 若小于，则addr→PC 说明：①对Rs和Rd的规定： Rs或Rd 选定的寄存器 0 0 R0 0 1 R1 1 0 R2 ②模型机规定数据的表示采用定点整数补码表示，单字长为8位，其格式如下： 7 6 5 4 3 2 1 0 符号位 尾数 3.3.4 设计时序产生器电路 T1、T2、T3、T4与CLR、Q之间的关系图 3.3.5 设计微程序流程图 微程序控制器的设计过程为： （1）根据指令格式和指令系统设计所有机器指令的微程序流程图，并确定每条微指令的微地址和后继微地址； （2）设计微指令格式和微指令代码表； （3）设计地址转移逻辑电路； （4）设计微