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《8位模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、第21卷第1期湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)Vo1.21.No.12011年3月JournalofHunanInstituteofEngineeringMar.20118位模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)譚小蘭,陳多,陳華光(湖南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院,湘潭411101)摘要:為了幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)組成原理整機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種8位模型機(jī),并用VHDL實(shí)現(xiàn)它.它具有模塊化、開放性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn),學(xué)生通過使用QuartusII可
2、以調(diào)試模型機(jī)并觀察模型機(jī)內(nèi)部信息流動(dòng)的過程,從而便于學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的工作原理.學(xué)生反映通過調(diào)試模型機(jī)后,覺得計(jì)算機(jī)組成原理整機(jī)實(shí)驗(yàn)不再抽象難懂.關(guān)鍵詞:模型機(jī);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);VHDL中圖分類號(hào):TP303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-119X(2011)01-0071-03存器讀取下一條指令,依次循環(huán).0引言計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)部件和整機(jī)的組成與工作原理.由于課程的專業(yè)性很強(qiáng)、概念繁雜抽象,計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的難度很大,特別在整機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生很難理解教
3、學(xué)內(nèi)容.因此為了幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)整機(jī)的工作原理,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種8位模型機(jī),讓學(xué)生從設(shè)計(jì)角度來(lái)理解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖18位模型機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路與工作原理.1.2指令系統(tǒng)與尋址方式指令系統(tǒng)是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素,18位模型機(jī)的設(shè)計(jì)它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu),而且直接影響到系統(tǒng)軟件,影響到機(jī)器的適用范圍.1.18位模型機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路為了便于教學(xué),使學(xué)生易于理解其工作原理,模型機(jī)8位模型機(jī)主要由運(yùn)算器ALU、控制器、地址采用了8位字長(zhǎng)指令,每條指令的低4位用于保存寄存器AR、數(shù)據(jù)寄
4、存器DR、指令寄存器IR、存儲(chǔ)立即數(shù)或存儲(chǔ)單元等操作數(shù),高4位用于保存指令器RAM、程序計(jì)數(shù)器PC和累加器A八大部件組操作碼,模型機(jī)的指令格式如圖2所示.模型機(jī)指令成,這八大部件是通過總線連結(jié)起來(lái)的,它們的邏輯系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令、轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路如圖1所示.控制器是整個(gè)模型機(jī)移類指令、停機(jī)指令4類指令,共10條指令.每條指的中心,由它來(lái)控制計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行.模型機(jī)執(zhí)行令的助記符、指令格式、機(jī)器碼和指令功能如表1所指令的具體過程為:首先控制器從指令寄存器取得示.指令,編譯指令,再輸出微控制信號(hào),
5、控制ALU的運(yùn)算,PC加1,并且從RAM中取出數(shù)據(jù)運(yùn)算,運(yùn)算后再把結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線存到RAM,再?gòu)闹噶罴膱D28位模型機(jī)的指令格式收稿日期:2010-06-10作者簡(jiǎn)介:譚小蘭(1973-),女,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)72湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)2011年尋址方式就是尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式,它也是影響計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要因素.由文獻(xiàn)[2]可知直接尋址和立即尋址在現(xiàn)代程序中占絕對(duì)多數(shù),是現(xiàn)代RICS計(jì)算機(jī)倡導(dǎo)的主要尋址方式.而且,這兩種方式的指令執(zhí)行流程比較簡(jiǎn)單,可以簡(jiǎn)化模型
6、機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).同時(shí),學(xué)生掌握了這兩種尋址方式后,要掌握其它類型的尋址方式(間接尋址等)就比較容易了.又由于我們?cè)O(shè)計(jì)模型機(jī)的主要目的是為了使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的工作原理及指令在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的流程,而不是真正要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品,所以我們只在模型機(jī)中實(shí)現(xiàn)這兩種尋址方式.表18位模型機(jī)的指令系統(tǒng)圖38位模型機(jī)的指令執(zhí)行流程序號(hào)助記符指令格式機(jī)器碼指令功能28位模型機(jī)的VHDL實(shí)現(xiàn)1LOADLOADD0DH(D)->A2STORESTORED1DHA->(D)VHDL是一種被美國(guó)國(guó)防部和IEEE確定為標(biāo)3ADDADDD2
7、DHA+(D)->A準(zhǔn)的硬件描述語(yǔ)言,它支持模塊化設(shè)計(jì),在基于FP4SUBSUBD3DHA-(D)->AGA和ASIC的數(shù)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用.5ANDANDD4DHA(D)->A為了實(shí)現(xiàn)模型機(jī),我們把圖1中的每一個(gè)部件用一6ORORD5DHA(D)->A個(gè)VHDL文件來(lái)實(shí)現(xiàn)它.在每一個(gè)VHDL文件中,7NOTNOT6DHNot(A)->A我們?cè)趀ntity結(jié)構(gòu)中定義部件的接口(端口接口),8NEGNEG7DHNot(A)+1->A在architecture部分定義部件的功能.而模型機(jī)則9BRANCHBR
8、ANCHD8DHD->PC由一個(gè)頂層模塊VHDL文件來(lái)定義,在頂層模塊中10HALTHALT90H停機(jī)調(diào)用已定義好的八大部件模塊,并通過端口映射從1.3指令執(zhí)行流程而使這八大部件組合成一個(gè)模型機(jī).下面以累加器設(shè)計(jì)好了模型機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路和指令A(yù)為例介紹模型機(jī)部件的實(shí)現(xiàn).累加器A的實(shí)現(xiàn)如圖4所示:系統(tǒng)后,我們就可以對(duì)指令系統(tǒng)中每一條指令的
