课程设计任务书

一、设计题目

基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现

二、设计内容

设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。充分利用FPGA以及相关外围器件，设计实现模型机的整机系统。要求所设计的整机系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存中的程序的功能，对主要的数据流和控制流通过LED适时显示信息。尽可能利用EDA软件对模型机系统中各部件进行仿真分析和功能验证。在学有余力的前提下，可为模型机增加更多的扩展功能。

三、设计要求

1) 支持算术运算、逻辑运算、存储器读写、寄存器间数据传送等几类指令；

2) 支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、寄存器寻址等几种基本数据寻址方式

和顺序寻址、跳跃寻址方式；

3) 支持10条以上的指令；

4) 能运行由自己设计的指令系统构成的一段程序，程序执行功能正确。

四、设计流程

1) 根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案；

2) 画出模型计算机系统的原理框图和器件连接图，分析器件连接图中各器件不同

引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过微程序来控制，以及这些控制信号的有效形式；

3) 画出各指令的指令周期流程图和所需要的控制信号；

4) 设计出实现指令功能的微程序控制器或硬布线控制器；

5) 布线、调试、验收；

6) 课程设计报告和总结。

五、成绩评定

成绩评定根据考勤、课程设计的过程、课程设计的效果、课程设计报告质量等进行综合评定；其中设计过程和结果占70%，课程设计报告占30%；课程设计的成绩评定等级为不及格、及格、中、良好、优秀五级；对基本功能进行扩展或设计具有非常鲜明的特征和一定程度的创新，可根据实际情况加分。

六、设计报告要求

课程设计报告主要内容包括：设计题目、设计目的、设备器材、设计原理及内容、设计步骤、遇到的问题及解决方法、设计总结、参考文献等。要求在适当位置配合相应的实验原理图、数据通路图、微程序流程图、实验接线图、微指令代码表等图表进行说明。总结部分主要写设计工作简介以及设计体会。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。课程设计报告采用《计算机组成原理》专用设计报告模板，A4纸双面打印，除框图外需附下载的设计图以及微指令控制点图。

七、时间安排

课程设计的总体时间为2周，具体安排如下:

1) 第1天：到实验室布置任务和集中讲解。

2) 第2天：学生自己设计，选择并熟悉自己所要的芯片。

3) 第3天：领导线和芯片，进行芯片功能测试，在此基础上修改完善原设计方案。

4) 第4天到第10天：实验室调试、验收。

八、主要参考文献

[1] 秦磊华，王小兰. 计算机组成原理实验指导及课程设计指导书(基于EDA平

台). 武汉：华中科技大学出版社，20xx年.

[2] 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，20xx年.

[3] DAVID A.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).北

京：机械工业出版社. 20xx年.

[4] 袁春风编著. 计算机组成与系统结构. 北京：清华大学出版社，20xx年.

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目 录

1 课程设计概述 ......................................................................................... 3

1.1 课设目的 .............................................................................................. 3

1.2 设计任务 .............................................................................................. 3

1.3 设计要求 .............................................................................................. 4

2 实验原理与环境...................................................................................... 5

2.1 实验原理 .............................................................................................. 5

2.2 实验环境 .............................................................................................. 5

3 总体方案设计 ......................................................................................... 6

3.1 需求分析 .............................................................................................. 6

3.2 硬件设计 .............................................................................................. 6

3.3 软件设计 .............................................................................................. 9

4 详细设计与实现.................................................................................... 11

4.1 选用芯片 ............................................................................................ 11

4.2 硬件实现 ............................................................................................ 12

4.3 软件实现 ............................................................................................ 15

5 实验过程与调试.................................................................................... 20

5.1 仿真XXX ............................................................................................. 20

5.2 可自行安排章节 ................................................................................. 20

5.3 主要故障与调试 ................................................................................. 20

5.4 功能测试 ............................................................................................ 20

5.5 实验流程图 ......................................................................................... 21

I

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6 设计总结与心得.................................................................................... 22

6.1 课设总结 ............................................................................................ 22

6.2 课设心得 ............................................................................................ 22

参考文献 ................................................................................................... 23

II

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1 课程设计概述

请仔细阅读所有的批注，阅读理解后删除批注

模板各个标题下面的内容仅是举例，作者应依照自己思想重写该部分内容

1、格式不要轻易改动，严格按照模板来，不要自创格式。

2、所以批注阅读后一定要删除

3、模板中的图示意图，不能照搬，要根据自己的设计来画

4、参考文献只是格式和引用方式参考，列出自己实际参考文献

5、图中的文字一定要清晰。

6、所有的表和图都必须有名字和编号。

1.1 课设目的

计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课。课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行设计及实现，进一步提高分析和解决问题的能力。（自己写）

??（其它内容）

1.2 设计任务

计算机系统设计的总体目标是设计模型机系统的总体结构、指令系统和时序信号。所设计的主机系统能支持自动和单步运行方式??（自己写）

具体设计任务如下：??（其它内容）

3

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1.3 设计要求

根据理论课程所学的至少，设计出简单计算机系统的总体方案，结合各单元实验积累和课堂上所学知识，选择适当芯片，设计简单的计算机系统，具体要求如下：

（1） 根据课设指导书的要求，制定设计方案。（自己写）

（2） 画出自己所涉及计算机系统的原理图和器件连接头??

（3） ??（其它内容）

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2 实验原理与环境

2.1 实验原理

计算机组成原理，数字逻辑， FPGA(Field Programmable Gate Array)是??。等其他知识??.尽量做到图文并茂。

2.2 实验环境

描述实验台配置，计算机系统，设计开发工具等，可以用表格与文字相结合的形式，具体参照下面的表格，注意表格的交叉引用以及题注方式。具体测试环境见表 2.1。

表 2.1 光纤通道启动器与阵列控制器配置

配 置

CPU

Memory

Fiber Channel HBA

OS 启动器 Xeon 2.0 512MB Qlogic 23102G Windows 2003 阵列控制器 Intel 80321 1GB Agilent DX2 ARM Linux

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3 总体方案设计

3.1 需求分析

在我们实现的原型系统中，定义了几种Region类型，分别具有不同的配置和特征（见表 3.1）。其中，Type_7相当于一个RAM Disk，当然具有比磁盘低的多的响应延迟，可以用来放置那些生存时间非常短（不超过几秒种）的对象，通常是应用程序运行过程中产生的临时文件和同步锁文件。

表 3.1 原型系统实现的Region

RAID级别 磁盘个数 分条单元大小 数据块大小 数据块个数

Type 0 0 8 32KB 512KB 8K

Type 1 10 8 16KB 16KB 8K

Type 5 5 8 32KB 64KB 8K

Type 7 N/A N/A N/A 1KB 8K

3.2 硬件设计

3.2.1 总体设计

本次我们采用的方案是微程序控制，且主、控存分开的方案，即采用微程序控制方式，实现主存储器（MM）和微程序控制存储器（CM）不共用一个存储器的方式完成方案的设计。同时在实施的过程中，采用部分电路用FPGA方式下载、部分电路用硬件搭建的方式完成……等等…。（参考文本，请大家自行修改扩展）

6

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总体结构图如图 3.1所示。（注意设计阶段只需要简单的原理示意图）

图 3.1 总体结构图

3.2.2 运算通路

运算器部分电路是下载到FPGA中完成的，具体设计思路如下……(参考文本，请自行修改扩展)。

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3.2.3 存储通路

此部分通路中，主要为一片6116做主存，其IO输出数据通过一片373缓冲然后经过一片157选择高四位（OP）或者低四位（ADDR）……大体如下图N.X所示 ……(注意，方案设计阶段均只需要写基本设计思想，给出的图只需要基本框图，具体实现在下一章撰写，本章其他各小结写法相同)。

3.2.4 选择通路

3.2.5 程序计数器

3.2.6 寄存器

3.2.7 时序控制

3.2.8 译码电路

3.2.9 二十进制转换电路

1. 设计思想

二十进制作为一个功能扩展，我们的主要设计思想是??

2. 设计方案

自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行扩展自行。

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3.3 软件设计

3.3.1 机器指令系统设计

指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)

采用定长指令每条指令的长度为16位，总共有3种类型，如表3.1所示。(请自行扩展修改)

表 3.1 各类型指令的划分

表中op字段决定是什么指令，rs、rt、rd为三个寄存器编号，funct字段为算术指令的功能选择字段，决定进行什么样的运算。(请自行扩展修改)

对于寄存器的编号，由于我们的系统总共有8个寄存器，故使用3位二进制码将它们编号（如1号寄存器编号为001xxxxxxx?等等(请自行扩展修改)

存储工业已经开始对接口提出更多要求，希望接口能做更多的事情。自从19xx年第一块磁盘驱动器诞生以来，磁盘密度和性能已经分别提高了6个、4个数量级，然而存储接口没有根本性的改变——仍然是基于数据块（block）。

3.3.2 微指令设计

微指令的设计思想是??

微指令的设计方案是??

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设计的微指令流程??

??（根据自己的实际设计情况进行撰写）

3.3.3 微程序设计

所有机器指令对应的微程序，微指令集的存放和读取，下一条微指令的执行过程等......根据自己不同的设计方案具体说明）

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4 详细设计与实现

指令周期流程图要在此部分出现、微程序流程图、微指令代码表、实验接线图等均需要在适当的位置和模块中表达出来。本章具体实现细节尽量多用图表方式展示，但要做到图文并茂，不能全文都是图。

4.1 选用芯片

1. 74LS181

系统使用了4片181芯片作为ALU，用于16位的运算器，负责执行阶段的各种运算以及程序计数器PC的运算。181芯片引脚图及引脚说明如表 4.1.

表 4.1 181芯片引脚图及引脚说明

xxxxx．…其他等等

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4.2 硬件实现

4.2.1 硬件原理图

本次我们采用的方案是微程序控制，且主、控存分开的方案，即采用微程序控制方式，实现主存储器（MM）和微程序控制存储器（CM）不共用一个存储器的方式完成方案的设计。同时在实施的过程中，采用部分电路用FPGA方式下载、部分电路用硬件搭建的方式完成……等等…。（参考文本，请大家自行修改扩展）

硬件原理如图 4.1所示。(正文中尽量不要出现如下留白，可考虑把后面的文字往前移动)

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图 4.1 硬件原理图

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4.2.2 运算通路实现

运算器部分电路是下载到FPGA中完成的，具体设计如下描述……(参考文本，请自行修改扩展)。

4.2.3 存储通路实现

此部分通路中，主要为一片6116做主存，其IO输出数据通过一片373缓冲然后经过一位（OP）大体如下图N.X所示……(参考文本，请自行修改扩展)。

4.2.4 选择通路实现

4.2.5 程序计数器实现

4.2.6 寄存器实现

4.2.7 时序控制实现

4.2.8 译码电路实现

图 4.2 XXX示意图

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4.2.9 二十进制转换电路实现

其电路图图 4.3所示。其中

.......

图 4.3 ALU模块的电路原理图

4.3 软件实现

4.3.1 机器指令系统实现

指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)指令的格式设计是??指令的寻址方式设计是??(请自行扩展修改)

1. 指令格式

采用定长指令每条指令的长度为16位，总共有3种类型，如表 4.2表3.1所示。(请自行扩展修改)

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表 4.2 各类型指令的划分

表中op字段决定是什么指令，rs、rt、rd为三个寄存器编号，funct字段为算术指令的功能选择字段，决定进行什么样的运算。(请自行扩展修改)

对于寄存器的编号，由于我们的系统总共有8个寄存器，故使用3位二进制码将它们编号（如1号寄存器编号为001xxxxxxx?等等(请自行扩展修改)

表 4.3 指令的编码格式及实例说明

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2. 指令周期流程图

图 4.4 指令流程图

4.3.2 微指令实现

详细描述最终的微指令格式

??（根据自己的实际设计情况进行撰写）

微指令各位的功能如表 4.4所示。

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表 4.4 微指令各位的功能描述

4.3.3 微程序

所有机器指令对应的微程序，微指令集的存放和读取，下一条微指令的执行过程等......根据自己不同的实现方案具体说明） ypedef struct SmartDiskInfo_s{

unsigned char attributename[64]; //属性名字 unsigned char current; //当前值 unsigned char worst; //最大出错值 unsigned char threshold; //阈值

unsigned char rawstring[64];

unsigned char status[12]; //状态描述

}SmartDiskInfo;

4.3.4 测试程序

最终测试程序以及说明：（根据自己不同的实现方案具体说明）代码如下

typedef struct SmartDiskInfo_s{

unsigned char attributename[64]; //属性名字 unsigned char current; //当前值 unsigned char worst; //最大出错值

18

华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告 unsigned char threshold; //阈值

unsigned char rawstring[64];

unsigned char status[12]; //状态描述

}SmartDiskInfo;

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5 实验过程与调试

5.1 仿真XXX

5.2 可自行安排章节

5.3 主要故障与调试

5.3.1 故障1

5.3.2 故障2

5.3.3 故障2

5.4 功能测试

在本次课程设计中，我们能够根据具体的运算式写出系统运行的程序，一般要求所设计的机器指令中包含了运算式的所有运算要求，倘若没有包含的话（如异或运算等等），需要重新写控存CM，操作比较麻烦，但是其实现思路非常简单，只需通过两个74LS244直接操作对2816进行写入即可，写完再调整2816为读状态，便可实现后续功能。经过测试，完全能够实现此项操作。

下面就以本次课程设计中检查时老师给我出的测试题目为例，分析程序设计的过程和方法。其余程序均可按照下述方法和步骤进行设计，不在赘述。

题目：[（3+4）加3] 加 5 与 3 减 4 ⊙ 5 乘 2

程序流程为??

内存内容为??

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华 中 科 技 大 学 课 程 设 计 报 告 程序运行结果??

5.5 实验流程图

数据通路验收时间点

手动控制（单步）验收时间点

自动控制验收时间点

程序运行验收时间点

扩展功能验收时间点

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6 设计总结与心得

6.1 课设总结

基于对象的存储是为了克服当前基于块的存储存在的诸多难题，在存储接口和结构层次的重要发展。可以根据应用负载选择优化的存储策略。作了如下几点工作：

1） 完成方案总结（自行修订扩充）（自行修订扩充）（自行修订扩充）（自

行修订扩充）（自行修订扩充）。

2） 功能总结（自行修订扩充）（自行修订扩充）（自行修订扩充）（自行修

订扩充）（自行修订扩充）。

3） 其他需要总结的内容，（自行修订扩充）。

6.2 课设心得

1） 自行修订扩充，自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充

自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充收OSD命令并进行处理。

2） 自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充自行修订扩充。

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参考文献

[1] 秦磊华，王小兰. 计算机组成原理实验指导及课程设计指导书(基于EDA平台).

武汉：华中科技大学出版社，20xx年.

[2] 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，20xx年.

[3] DAVID A.PATTERSON(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第3版).北

京：机械工业出版社. 20xx年.

[4] 袁春风编著. 计算机组成与系统结构. 北京：清华大学出版社，20xx年.

[5] 张志刚，FPGA 与SOPC 设计教程-DE2 实践. 西安：电子科技大学出版社，

2007

参考文献属于论文的辅文部分。为了反映文稿的科学依据和作者尊重他人研究成果的严肃态度以及向读者提供有关信息的出处，论文中应列出参考文献。所列参考文献一般只限于作者亲自阅读过且发表在公开出版物上的文献，非此类文献一般不能作为参考文献，慎用互联网上的文献。

列示参考文献时，要求著录项目齐全，格式规范，其要点如下：

(1) 允许列入公开出版的图书、期刊的文章、专利、硕士和博士论文、科技报告等。未公开发表的文章和非正式出版物等请勿列入。

(2) 文献的著录项目及其次序，有以下几种情况：

A 图书：[序号] 作者.书名.版本(第×版).译者.出版地:出版者,出版年：起页-止页

B 期刊：[序号] 作者.文章名称.期刊名称,年号,卷号(期号)：起页-止页

C 会议论文集：[序号] 作者.文章名称. In(见):整本文集的编者姓名ed.(多编者用eds.).文集名.会址.开会年.出版地：出版者,出版年：起页-止页

D 专利：[序号] 专利申请者.专利题名.专利国别,专利文献种类,专利号,出版年：起页-止页

E 学位论文：[序号] 作者.题名:[博士或硕士学位论文].保存地点:保存单位(如华

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中科技大学),年份.

F 网页: [序号] URL: 网络地址，如URL:http://www.cbs.dtu.dk/services

(3) 所有参考文献均应在正文中予以引用，引用方式分以下两种情况：

A在正文中附注参考文献时，把所有文献的号码连方括号一并放在加注处的右上角，例如：“TCP/IP[3-6,9]是……”；

B所提及的文献作为叙述文中的直接说明语时，则其编号连方括号应与正文并排，例如：“…见文献[2,3-6]”。

方括号内可为单个文献的编号，如[2]；也可为若干参考文献编号的罗列，如

[2,6,9]；也可为用“x-y”表示的序号区间，如[3-6]；或以上形式的组合，如[2,3-6]。

(4) 其它注意事项：

A 序号编制顺序：参考文献的序号依据引用先后编制，即第一篇被引用的参考文献编号为1，第二篇被引用的参考文献编号为2，依此类推；

B 文献若属第1版，则参考文献著录项目“版次”一项可略；

C 若为多作者的文献，则作者间用逗点“,”隔开。作者超过三个时，只著录前3个，其后加“等”(英文用“et al ”)。外文作者采用姓在前、名在后的书写形式。外国人的名可以缩写为首字母，缩写的名后不加圆点“.”；

D 无出版地者要注明“[出版地不详]”或与之相应文字（英文用[S.L.]），无出版者要注明“出版者不详”或与之相应文字（英文用[S.N.]）；

E 网页作为参考文献，除非必要，尽量少用。

F参考文献引用时标注位置不能在章、节的标题上，如“2.3 软件测试方法概述[1,3-6]”为不正确的标注，必须引用在正文的文字段落中；同时标注位置要在句末的标点符号以内，不能先写标点符号，再标参考文献，如“……网络协议TCP/IP等。[3-6,9]” 亦为不正确的标注。

24

·指导教师评定意见·

一、对课程设计的学术评语

二、对课程设计的评分[按下表要求综合评定]

指导教师签字: 年 月 日