计算机组成实验课件 - 哈尔滨工程大学计算机实验教学中心
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计算机组成实验课件
教师：武俊鹏 孙建国
单位：计算机实验教学中心
2015/4/13
哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机专业实验教学中心
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目录
计算机组成实验课程简介
复习计算机部件知识
基本模型机原理与设计
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计算机组成实验课程简介
课程名称及性质：计算机组成实验 必修
课程类别：实践教学环节
实验学时：32
面向专业：计算机科学与技术
开设学期：6
开课实验室：可编程逻辑及数字系统
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计算机组成实验课程简介
实验目的和任务：
在EDA实验台的FPGA上，在书中给定
的基本模型机的基础上，设计并实现一个
带移位功能的模型机系统。
通过组装调试实验样机，分析、排除
各种实验故障，更好的掌握计算机组成原
理知识，提高实践动手能力。
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计算机组成实验课程简介
实验课程进度安排
第1次课：熟悉环境+复习部件知识+讲授原理+微控制器
实验；
第2-7次课：设计并实现带移位功能的模型机系统；
第8次课：验收检查。
考核方式：预习成绩+现场成绩+报告成绩
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课程要求与注意事项
1、每次实验课前要做好充分的预习和准备。
2、按时到课,无故旷课者无成绩,请假必须有辅导员的签
字。
3、注意课堂纪律,要认真做实验,课堂上如发现玩游戏、
聊天等违纪行为，按情节严重程度进行扣分。
4、注意：实验作品要独立完成，“抄袭者”与“被抄袭
者”成绩均为零分。
5、鼓励大家提出新设计思想和设计方案。
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课程要求与注意事项
6、实验验收时，讲述要有条理，讲懂过程和原理；演示
要全面具体；回答老师提出的问题。
7、独立完成报告，不允许出现雷同；要独立组织语言，
不允许大段抄袭书本；独立截取波形图及引脚分配图；
重点写出排错过程，实验结果分析等。发现报告雷同，
“抄袭者”与“被抄袭者” 成绩均为零分。
8、爱护实验室设备，保持实验室卫生。
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QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介
QUARTUSII开发环境介绍
Altera® Quartus® II 设计
软件提供完整的多平台设计环
境，它可以轻易满足特定设计
的需要。它是可编程片上系统
(SOPC) 设计的综合性环境。
Quartus II软件拥有 FPGA 和
CPLD 设计的所有阶段的解决
方案。Quartus II 设计流程如
图所示。
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QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介
GW48 系列SOPC/EDA实验开发系统
实验开发系统采用模块化的系统结构，学生可通过一
系列基本单元实验和模型计算机综合设计实验，对CPU的
运算功能、控制功能、总线结构、指令系统的设计和微指
令的实现，以及CPU内部是如何工作的，有直观、深刻的
认识。学生在进行各个单元实验和综合实验时，既可以通
过系统计算机进行综合设计，系统软件仿真、观察仿真波
形，在实验台上，将自己设计的CPU电路下载到FPGA中
进行硬件仿真，观察CPU内部的各种信息。
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QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介
基于Quartus II和EDA实验台的实验基本步骤
1、创建工程
（1）建立新工程管理窗
（2）将已存在的设计文件加入工程中
（3）选择仿真器和综合器类型
2、设计输入文件（框图或HDL文本）
3、编译前设置
（1）选择目标芯片
（2）选择配置器件的工作方式
（3）选择配置器件和编程方式
4、编译
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QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介
基于Quartus II和EDA实验台的实验基本步骤
5、仿真
（1）打开波形编辑器
（2）设置仿真时间区域
（3）存盘波形文件
（4）输入信号节点
（5）编辑输入波形
（6）启动仿真器
（7）观察仿真结果
6、引脚锁定、下载与硬件测试
（1）引脚锁定
（2）选择编程器
（3）选择编程模式及配置并进行编程
（4）硬件测试
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计算机系统概述
计算机的组成部件
计算机的5大部件中，如图 所示。运算器和控制器是
信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元”
（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控
制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体
部分，通常被称为“主机”。而输入设备和输出设备统称
为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。
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计算机系统概述
运算器
控制流CS
数据流DS
程序和数据
计算结果
输入设备
存储器
输出设备
控制器
图 计算机的组成部件
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运算器
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存储器实验
lpm_rom的结构图
lpm_ram_dq的结构图
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实验三 存储器实验
——实验2 lpm_ram_dq（RAM）实验
lpm_ram_dq实验电路
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时序电路发生器
实验原理
计算机之所以能够按照人们事先规定的顺序进行一
系列的操作或运算，就是因为它的控制部分能够按一定的
先后顺序正确地发出一系列相应的控制信号。这就要求计
算机必须有时序电路。控制信号就是根据时序信号产生的。
时序电路由4个D触发器组成，可产生4个等间隔的时序信
号T1~T4。使机器进入连续运行状态。
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时序电路发生器
单步/连续运行电路工作原理
单步/连续运行的工作原理如图13所示，
S0——21MUX的2选1控制端。当S0=0时，Y=A，单步方式；当S0=1时，
Y=B，连续方式。
CLK1——时钟输入信号，可选择实验台上clock0为1Hz——2MHz。
RST——复位控制信号，低电平有效。
单步/连续运行电路工作原理
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程序计数器PC与地址寄存器AR实验
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程序计数器PC与地址寄存器AR实验
实验原理
地址单元主要由三部分组成：程序计数器、地址寄存
器和多路开关。
程序计数器PC用以指出下条指令在主存中的存放地
址，CPU正是根据PC的内容去主存取得指令的，因程序
中指令是顺序执行的，所以PC有自增功能。
程序计数器提供下一条程序指令的地址，在T4时钟
脉冲的作用下具有自动加1的功能；在LOAD信号的作用
下可以预置计数器的初值，当LOAD为高电平时，计数器
装入data[ ]端输入的数据。CLR是计数器的清0端，高电
平有效，使计数器清零；CLR为低电平时，允许计数器正
常计数。
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程序计数器PC与地址寄存器AR实验
地址寄存器AR（74273）锁存访问内存SRAM的地址，
地址来自两个渠道。一是程序计数器PC的输出，通常是
下一条指令的地址；二是来自于内部数据总线的数据，通
常是被访问操作数的地址。
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总线控制实验
实验原理
1、总线概念
总线是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路，
是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统
各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。所谓
总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。
总线
LDAR
SW-B
数据输入开关
CS
地址寄存器
AR
W/R LED-B
存储器
RAM
W/R
数码管
LED
R0-B
LDR0
寄存器
R0
总线实验传输框图
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实验五 总线控制实验
总线控制实验线路图
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微控制器实验
实验目的
掌握微程序控制器的组成原理
掌握微程序的编写、输入，观察微程序的运行
实验原理
微程序控制器的组成如图所示。其中控制存储器由
FPGA中的lpm_rom构成，输出24位控制信号。在24位控
制信号中，微命令信号18位，微地址信号6位。在不判别
测试的情况下，T2时刻6位微地址信号M[6..1]即为下一条
微指令地址。当T4时刻根据当前指令进行测试判别时，转
移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强制端将某一触发器
置为“1”状态，完成微程序地址修改。
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微控制器实验
微控制器电路
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基本模型机设计与实现
微代码定义
表6 微代码定义
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实验四 微控制器实验
——实验3微控制器组成实验
微程序控制电路
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实验四 微控制器实验
——实验3微控制器组成实验
微地址寄存器电路
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基本模型机设计与实现
实验目的
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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
定义九条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，
掌握计算机整机概念
通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微
程序控制方式计算机的设计方法
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基本模型机设计与实现
实验原理（一）
基本模型机的核心部分就是微处理器。微处理器主要
由控制器和运算器组成。
控制器是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指
挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：
1、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；
2、对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以启动相应的操作；
3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。
相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，
即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号
来指挥的。
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基本模型机设计与实现
实验原理（二）
本门实验课主要是基于微程序的思想来进行设计与实
现的基本的模型机系统。
CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一
个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机
器指令对应一个微程序。
每个微程序都是由一段微指令序列来构成的，其中每
条微指令对应一条微代码。
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基本模型机设计与实现
基本模型机机器指令设计
采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加
法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转
移），其指令格式如表所示（前4位为操作码）：其中IN
为单字长（8位），其余为双字长指令，XXXX XXXX 为
addr对应的二进制地址码。
简单模型机机器指令
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基本模型机设计与实现
控制台命令设计
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，
还必须设计三个控制台操作微程序，如表5所示。
（1）存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控
制台SWB、SWA为“00”时，可对RAM连续手动读操作。
（2）存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，
控制台SWB、SWA为“01”时，可对RAM连续手动写操作。
（3）启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台
SWB、SWA为“11”时，即可转入到01号“取址”微指令，启动程序运行。
表5 控制台命令
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基本模型机设计与实现
微程序设计
微程序流程图
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基本模型机设计与实现
微代码定义
表6 微代码定义
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基本模型机设计与实现
二进制微代码设计 表7 二进制微代码表
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基本模型机设计与实现
程序代码
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基本模型机逻辑电路
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带移位功能的模型机设计与实现
在基本模型机的基础上，设计并实现一个带
移位运算功能的模型机系统。
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祝大家学习进步！
谢谢！
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