计算机组成原理课程设计指导书_课程设计任务及指导书

计算机组成原理课程设计指导书由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“课程设计任务及指导书”。

计算机组成原理课程设计指导书

基于EDA技术的单周期中央处理器的设计与实现

适用专业：计算机科学与技术专业

网络工程专业及相关专业

教 研 室：计算机科学与技术教研室

计算机科学与信息工程系

2009 年12月 前言

《计算机组成原理》是计算机与信息工程系的一门核心专业基础课程。它从层次结构的观点和信息输入、处理和输出的顺序讲述计算机的结构及工作原理，使学生掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学习计算机设计中的入门性知识，以及简单、完备的单台计算机的基本组成原理，培养学生掌握硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护的能力。

本课程设计主要任务是通过学习能够使学生在已有的计算机知识的基础上，对计算机组成有一个较全面、系统的了解，提高学生的计算机硬件基本知识和基本理论和实际操作的能力。特别是通过学生实践，提高学生对计算机组成的认识，维护和应用技能。根据该课程的部件实验，完成一台基于MIPS指令集的整机设计。

实验的验收将分为两个部分。第一部分是上机操作，包括检查程序运行和即时提问。第二部分是提交书面的实验报告。此外，针对以前教学中出现的问题，实验将采用每个实验逐个检查方式，每个实验都将应当在规定的时间内完成并检查通过，过期视为未完成该实验，不计成绩。以避免期末集中检查方式产生的诸多不良问题，希望同学们抓紧时间，合理安排，认真完成。实验要求及评分标准

一、实验要求：

1.2.3.4.在《计算机组成原理》的课程课程设计过程中，要求学生做到：

预习课程设计指导书有关部分，认真做好实验内容的准备，就实验可能出现的情况提前作出思考和分析。

仔细观察上机作时出现的各种现象，记录主要情况，作出必要说明和分析。认真书写实验报告。实验报告包括实验目的和要求，实验情况及其分析。对需编程的实验，给出包含详细注释的源程序清单。遵守机房纪律，服从辅导教师指挥，爱护实验设备。

5.实验课程不迟到。如有事不能出席，所缺实验一般不补。

实验的验收将分为两个部分。第一部分是上机操作，包括检查程序运行和即时提问。第二部分是提交书面的实验报告（大作业）。为避免期末考试方式产生的诸多不良问题，希望同学们抓紧时间，合理安排，认真完成。

二、评分标准：

1.没有正确的调试程序，最多只能得50分。2.基本正确的调试程序，可以得60-70分。3.能理解程序并给出详细注释，可得80分。

4.程序书写规范，遵守实验纪律，可得90分。5.上述各项均做得比较好，可得100分。

评分标准的满分为100分，所有的评分标准的下一项均建立在前一项已经满足的情况下。

实验目的1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识； 2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程； 3．学习硬布线控制器的设计过程和相关技术；

4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机；

5．定义20条MIPS指令集的典型指令，并编写相应的汇编程序，能在模型机上调试，掌握计算机整机概念；

6．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握硬布线控制方式计算机的设计方法，真正理解利用软件进行硬件设计的方法和技巧。实验原理

在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在硬布线控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。

实验选择了MIPS体系结构中比较典型的指令，使用QuartusII软件工具，通过原理图以及VHDL语言设计CPU的逻辑电路来实现这些指令。另外还用MIPS汇编语言编写了用于CPU测试的简单程序，对所设计的CPU逻辑电路进行功能仿真模拟，以验证CPU逻辑电路的正确性。

实验涉及到的R指令有ADD、SUB、AND、OR、XOR、SLL、SRL、SRA、JR；I指令有ADDI、ANDI、ORI、XORI、LW、SW、BEQ、BNE、LUI；J指令有J、JAL。指令格式如下图所示。

单周期CPU的逻辑电路图

以下是几个机器指令的逻辑表达式：

根据机器指令的可以得到相应的控制信号，举例如下：

以下给出部分原理图以及部分仿真波形图：

F元件中，当CALL=1时，选择31号寄存器，为JAL跳转指令提供寄存器；当CALL=0时，选择输入端的寄存器。

Sc_cu.bdf原理图

指令存储器和数据存储器中的代码分别如下图所示：以上程序运行结果：

该CPU还可以运行以下乘法程序，其代码、仿真结果与及运算结果如下所示：

课程设计要求

计算机组成原理是计算机科学与技术专业计算机组成原理实践教学课程，实验教学属于一个非常重要的环节，并且比理论教学复杂一些，涉及的深度要广些，具有一定的实用性。本“三性”实验的目的是通过实验的综合训练，培养学生的分析问题和解决问题的能力，使学生掌握整机概念，同时进行计算机系统部件的EDA设计，即借助于EDA工具软件QuartusII完成系统部件逻辑设计，以帮助学生系统的掌握计算机组成原理这门课程的主要内容，为以后进一步学习计算机体系结构打下一个良好的基础。

在计算机组成原理课程设计基本运算模型机，同时引入EDA计算机辅助设计技术是一个非常有益的尝试。它使以往学生望而生畏的计算机组成原理课变得轻松和有吸引力，节约了资金，缩短了设计的时间周期；给学生提供了极大的创造空间，激发和培养了学生的创新思维能力；使学生设计的作品质量和难度系数都得到了提高。通过学习，学生可以深入理解基本模型计算机的功能、组成知识，深入学习计算机各类典型指令的执行流程，学习硬布线控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机；定义20条MIPS指令集的典型指令，并编写相应的汇编程序，能在模型机上调试，掌握计算机整机概念；通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握硬布线控制方式计算机的设计方法，真正理解利用软件进行硬件设计的方法和技巧。

通过QuartusII软件在计算机上进行计算机系统部件设计，学生可以采用不同的设计方案，选用软件库中的一般器件或者自行设计的专用器件，而这些器件实验室往往又无法提供，通过计算机仿真的课程设计结果使学生学会从不同角度思考同一个问题，提出不同的解决方案，从而提高学生思考实际问题的能力。

利用计算机组成原理课程实验中的各个部件单元实验，结合EDA技术，运用原理图以及VHDL语言设计完整的单周期中央处理器CPU，再构建计算机整机，能运行所给的汇编程序，在存储器对应单元中看到相应结果。

写出实验报告：

报告内容应包含（1）课题名称，班级、姓名、学号、时间、指导教师（2）实验目的（3）实验用设备及软件包（4）电路工作原理（5）电路设计图，调试仿真结果（6）调试中的故障分析及解决方法（7）整机原理图、源程序代码以及实验结论分析与讨论（8）最后对本次课程设计进行总结，写出收获与体会，如创新设计思想、对电路的改进方法、成功经验、失败教训。（9）报告应文理通顺，图形美观，打印成档（同时交电子文档资料备案）