基于CPLD的组合逻辑控制模型机的设计与实现

发布时间：2017-09-19 01:06

  本文关键词：基于CPLD的组合逻辑控制模型机的设计与实现

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【摘要】：《计算机组成原理》是计算机专业本科教学的一门核心课程，更是研究生入学考试的必考科目。该课程涉及到多门学科，需要软件、硬件、数字电路、程序设计方法等课程的支撑，因而理论性较强。同时它又是一门实践性学科，让学生们参与课程实验是学习好这门课程非常有效的方法，因此，各大高校也越来越重视该课程在教学实验方面的研究。该课程实验所用到的模型机按照控制器控制方式的不同，可以分为组合逻辑控制模型机和微程序控制模型机。为了提升教学质量，完善组成原理课程实验，掌握CPU内部结构和工作原理，本课题设计出了基于CPLD的组合逻辑控制模型机。 组合逻辑控制模型机根据冯诺依曼体系结构进行设计，总线结构采用8位单总线，主要包括指令系统、运算器模块、存储器模块、组合逻辑控制器模块几大部分。指令系统的设计借鉴了精简指令集（RISC）的设计思想，主要由使用频率较高的23条功能指令和3条面板指令组成，包含寄存器操作指令、内存访问指令、跳转指令和输入输出指令。组合逻辑控制器采用CPLD设计，分为时序节拍电路、指令译码电路和组合逻辑电路三大部分。指令译码器完成对指令的译码，通过对指令执行过程进行分析，，确定机器周期节拍数为10个，使所有指令均能在一个周期内完成，然后对控制信号的形成过程进行分析，列出控制信号的逻辑表达式之后，搭建起组合逻辑电路，此时组合逻辑控制器设计完成。最终将组合逻辑控制器和运算器、存储器组成完整的组合逻辑控制模型机。 通过CPLD实现控制器之后，组合逻辑控制模型机在速度上的优势体现的更为突出，它有效地增强了实验的灵活性，提高了整体性能，基本上能够满足学生从入门到深入理解计算机工作原理的教学要求。
【关键词】：模型机 CPLD 组合逻辑 控制器 指令系统
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12
• 1.3 论文主要研究工作12-13
• 1.4 本文的组织结构13-15
• 第二章 模型机的总体设计15-19
• 2.1 模型机的整体结构15-17
• 2.1.1 精简指令集计算机结构15
• 2.1.2 模型机的逻辑布局15-16
• 2.1.3 模型机的总体数据通路设计16-17
• 2.2 开发工具介绍17-18
• 2.3 本章小结18-19
• 第三章 运算器的设计与实现19-25
• 3.1 运算器概述19-21
• 3.1.1 运算器的功能和基本结构19-20
• 3.1.2 算数运算逻辑单元(ALU)概述20-21
• 3.2 模型机运算器的设计21-24
• 3.2.1 模型机运算器数据通路设计21-23
• 3.2.2 模型机运算器的调试23-24
• 3.3 本章小结24-25
• 第四章 静态存储器的设计与实现25-29
• 4.1 存储器概述25-26
• 4.2 模型机存储器的设计26-28
• 4.2.1 模型机存储器数据通路设计26-27
• 4.2.2 模型机存储器的调试27-28
• 4.3 本章小结28-29
• 第五章 指令系统设计29-35
• 5.1 指令系统概述29
• 5.2 指令系统设计29-34
• 5.2.1 指令格式29-30
• 5.2.2 指令系统设计30-31
• 5.2.3 寻址方式31-33
• 5.2.4 指令类型33-34
• 5.3 本章小结34-35
• 第六章 组合逻辑控制器的设计与实现35-57
• 6.1 组合逻辑控制器的总体结构35-37
• 6.1.1 组合逻辑控制器的设计思想35
• 6.1.2 组合逻辑控制器的构成35-36
• 6.1.3 组合逻辑控制器的实现方式36-37
• 6.2 时序节拍电路设计37-43
• 6.2.1 脉冲源电路38
• 6.2.2 启停电路38-40
• 6.2.3 时序节拍形成电路40-43
• 6.3 指令译码器设计43-45
• 6.3.1 指令译码器的基本原理43
• 6.3.2 指令译码器的电路设计43-45
• 6.4 组合逻辑电路设计45-52
• 6.4.1 组合逻辑电路的设计思想45-46
• 6.4.2 控制信号的节拍划分46-49
• 6.4.3 控制信号的逻辑表达式49-51
• 6.4.4 组合逻辑电路的设计51-52
• 6.5 组合逻辑控制器设计52-56
• 6.5.1 组合逻辑控制器电路设计52-54
• 6.5.2 组合逻辑控制器接口配置54-56
• 6.5.3 与微程序控制器性能比较56
• 6.6 本章小结56-57
• 第七章 整机平台的搭建与设计57-61
• 7.1 模型机的组装调试57-58
• 7.2 指令执行的操作过程58
• 7.3 程序的执行验收情况58-60
• 7.4 本章小结60-61
• 第八章 结论61-63
• 参考文献63-65
• 附录A65-66
• 附录B66-68
• 附录C68-70
• 附录D70-71
• 附录E71-73
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果73-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 肖铁军;刘芳;;基于FPGA的“计算机组成原理”模型机设计[J];电气电子教学学报;2009年02期

2 赵硕,杨欣宇;计算机组成原理课程的设计性实验[J];高师理科学刊;2005年02期

3 戚梅;张鹏;东野长磊;;基于CPLD组合逻辑控制器模型机的设计与实现[J];实验室研究与探索;2010年07期

4 戚梅;张鹏;东野长磊;;模型机控制并行口的设计与实现[J];实验室研究与探索;2012年10期

5 张宇华;;《计算机组成原理》实验的开发与提高[J];现代计算机(专业版);2010年04期

6 王冬;;基于RISC处理器模型机的设计[J];中国水运(下半月);2009年02期

本文编号：878579