计算机组成原理课程设计实验

### 计算机组成原理课程设计实验：基于硬布线控制器的简单计算机系统设计与实现 #### 实验目的 本实验旨在加深学生对于冯·诺伊曼体系结构计算机组成的理解，包括各个部件的功能及整体协作机制。具体目标包括： 1. **理论深化**：加深对计算机数据通路、指令系统、微指令的认识。 2. **实践应用**：掌握FPGA的使用方法，提升计算机系统的分析与设计能力。 3. **问题解决**：锻炼学生分析、定位并排除故障的能力。 #### 实验要求 1. **系统设计**：利用课堂知识，选择合适的芯片设计简单的计算机系统。 2. **数据通路验证**：完成数据通路设计并验证其功能。 3. **指令控制实现**：设计指令周期流程图，规划所需的微命令。 4. **微程序控制**：设计控存，存放指令对应的微程序，并通过时序控制实现自动指令执行（采用微程序控制器时）。 #### 实验任务 1. **硬布线控制器设计**：设计硬布线控制器。 2. **方案制定**：根据课程设计指导书和具体要求，制定设计方案。 3. **指令支持**：模型机需支持加法、减法等算术运算指令，逻辑运算指令，存储器读写指令，以及寄存器间数据传送指令。 4. **原理图绘制**：绘制计算机系统的原理框图和器件连接图。 5. **周期流程图设计**：设计各指令的指令周期流程图及控制信号。 6. **系统实现与测试**：完成布线、调试与验收工作。 7. **报告撰写**：撰写课程设计报告，并进行分析总结。 #### 实验过程 1. **实验所用芯片**：本实验使用的芯片包括74LS181（算术逻辑单元）、74LS373（八D锁存器）、6116 CMOS静态RAM存储器（2K×8）、74LS157（四2选1数据选择器）、74LS244（八三态输出缓冲器）、74LS161（四位计数器）以及若干基本的门电路。 2. **设备检查**：检查所有实验器材，包括导线、开关、LED灯及芯片。发现少部分导线接触不良、实验台左侧有开关损坏、右侧电源接地端接触不良等问题，并进行了相应调整。 3. **数据通路设计**： - 设计思路：采用了硬布线方式以减少接线数量。 - 问题分析：在设计数据通路时，发现395寄存器不能有效锁存数据，导致数据直接输出，可能影响计算结果。为了解决这一问题，需要改进395寄存器的设计，确保数据能够正确锁存。 #### 微指令设计 微指令是实现指令执行控制的关键。对于支持的各类指令，需要设计相应的微命令序列来控制每个步骤。例如，对于加法指令，微指令可能包括： - 加载源操作数到累加器 - 执行加法运算 - 将结果存储回目标寄存器或内存地址 #### 时序电路设计 时序电路负责产生各种时钟信号和控制信号，确保指令按正确的顺序执行。设计时考虑以下几点： 1. **时钟信号**：为整个系统提供基准时钟。 2. **状态机设计**：根据指令的不同阶段产生相应的控制信号。 3. **同步控制**：确保各部件间的同步，避免数据冲突。 #### 指令周期流程图 每条指令都有其特定的执行流程，包括取指、译码、执行和写回等阶段。绘制指令周期流程图有助于理解和优化指令执行流程。 #### 总结 通过本次课程设计实验，不仅加深了对计算机组成原理的理解，还提升了实际操作能力和问题解决技巧。设计并实现一个基于硬布线控制器的简单计算机系统是一项综合性很强的任务，它涉及了从理论到实践的多个层面。此外，通过本次实验还学会了如何在遇到问题时灵活调整设计方案，这对于未来的学习和研究都具有重要意义。