基于vhdl的8位模型計算機的設計與實現學士學位論文(已修改)

　

【正文】 理工大學學士學位論文摘 要 隨著計算機在人們生活中重要性和不可或缺性的提高，為了更方便的為大眾使用，發展計算機性能成為IT行業的熱點，但計算機的內部結構極其復雜，為了便于研究便產生了模型計算機。本文完成了基于VHDL的8位模型計算機的設計與實現。文中首先闡述了8位模型計算機的原理，然后對其十個功能模塊（算術邏輯運算單元，累加器，控制器，地址寄存器，程序計數器，數據寄存器，存儲器，節拍發生器，時鐘信號源，指令寄存器和指令譯碼器）進行了分析與設計。最后在Quartus II ，完成了8位模型計算機的整體實現。本文綜合了計算機組成原理和數字邏輯與系統設計的知識，設計的8位模型計算機能更方便的了解計算機內部構造和工作原理。整個系統的開發體現了在Quartus II軟件平臺上用VHDL設計數字控制系統的實用性。關鍵詞：8位模型機 ； Quartus II ；VHDL語言 IAbstract With the improvement of importance and indispensability in puter in people39。s life,in order to use more conveniently for public ,puter performance is being a hot in the IT industry the internal structure of the puter is very plicate,Computer model simplifies the difficulty of the research. This article pleted the design and implementation of eight model puter based on ,this article expounds the principle of eight model puter,then divides it into 10 modules(arithmetic logic unit, accumulator, controllers, address register, the program counter and data registers, memory, beat generator, a clock signal, instruction register and instruction decoder)and analyse and design each of under the environment of the Quartus II simulation, pleted overall implementation of the 8 model puter. The analysis and design of the eight model puter integrated the knowledge of puter constitute principle and Digital logic and system design. The design of the eight model puter can be more convenient to understand internal structure and working whole system development manifests the practicability of designing the numerical control system on the Quartus II software platform with VHDL. Key words: eight model puter 。 VHDL language。 Quartus II II目 錄1 緒論 1 本課題研究的目的 1 本課題研究的背景及意義 12 基于VHDL編程的基礎知識 4 VHDL語言概述 4 VHDL的設計流程 5 有關Quartus II 的介紹 6 本課題基于Quartus II的設計流程 83 基于VHDL8位模型機的原理與設計 9 模型計算機的原理 9 模型機的總體設計要求 9 模型機邏輯框圖的設計 10 模型機的指令系統設計 10 模型機的指令執行流程設計 11 基于VHDL8位模型機各模塊的設計與實現 12 算術邏輯單元ALU模塊 12 累加器模塊 14 控制器模塊 18 節拍發生器 21 指令寄存器模塊IR和指令譯碼器 24 時鐘產生器 28 程序計數器模塊 30 地址寄存器MAR 33 存儲器RAM 36 數據寄存器DR 384 基于VHDL的8位模型計算機的實現 42 基于VHDL的微程序執行流程圖 42 8位模型機的頂層原理圖設計 43 基于VHDL的8位模型機工作流程 44 頂層VHDL源程序設計 45 頭文件cpu_defs的VHDL設計 45 CPU的VHDL源程序設計 46 8位模型機的整體實現 54結 論 57致 謝 58參考文獻 59附錄A 英文原文 60附錄B 漢語翻譯 70IV1 緒論 本課題研究的目的 本課題的主要任務是通過動腦和動手解決計算機設計中的實際問題。綜合運用所學計算機組成原理知識和VHDL語言編程技術，在Quartus II環境下實現8位模型計算機功能并進行波形仿真。融會貫通計算機組成原理課程的內容，通過知識的綜合運用，加深對計算機系統各個模塊的工作原理及相互聯系的認識。 本課題研究的背景及意義 計算機日新月異的發展已經成為人們生活中不可或缺的工具，在我國電子計算機雖然起步較晚，但是發展較快。從20世紀50年代開始研制高性能計算機，其發展的階段與國際發展相類似，也經歷了大型機，超級計算機，高性能計算機時代。第一階段（1957—1962年） 1957年，哈爾濱工業大學研制成功了中國第一臺模擬式電子計算機。1958年，中國第一臺計算機——103型通用數字電子計算機由中國科學院計算所與北京有線電廠共同研制成功，運行速度每秒1500次，字長31位，內存容量1024B。1959年，中國研制成功104型電子計算機，內存容量為2048B，字長39位，運算速度為每秒10000次，為我國尖端武器的發展做出了重要貢獻。1960年，中國第一臺大型通用電子計算機——107型通用電子計算機研制成功，其字長32位，內存容量為1024B，有加減乘除等16條指令，主要用于彈道計算。第二階段（1963—1972年） 1963年，中國第一臺大型晶體管電子計算機——109機研制成功。這標志著中國電子計算機進入了第二代。1964年，441B全晶體管計算機研制成功，字長40位。1965年，中國第一臺百萬次集成電子計算機DJSⅡ型的操作系統編制完成。1967年，新型晶體管大型通用數字計算機誕生。1968年，北京大學承接研制百萬次集成電路數字電子計算機——150機。1970年，中國第一臺具有多道程序分時操作系統和標準匯編語言的計算機——411BⅡ型全晶體管計算機研制成功。1972年，每秒運算11萬次的大型集成電路通用數字電子計算機研制成功。第三階段（1973—1982年） 1973年，中國第一臺百萬次集成電路電子計算機研制成功，字長48位，存儲容量13KB。1974年，DJS130，131，132，135，140，152，153等13個機型先后研制成功。1976年，DJS183，184，185，186，1804機研制成功。我國臺灣省臺中農學院發明了第一代倉頡輸入法。1977年，中國第一臺微型計算機DJS050機研制成功。1979年，中國研制成功每秒運算500萬次的集成電路計算機——HDS9。1981年，中國研制成功的260機平均運算速度達到每秒1000萬次。《信息交換用漢字編碼字符集基本集》GB 2312—1980國家標準正式發布實施。第四階段（1983—1992年） 1983年，國防科技大學研制成功“銀河I型”巨型計算機，運算速度達到每秒1億次。1985年，華光I型漢字激光照排系統投入生產。1986年，中華學習機投入生產。1987年，第一臺國產的286微機——長城286正式推出。1988年，第一臺國產386微機——長城386推出，中國發現首例計算機病毒。1990年，中國首臺高智能計算機——EST/IS 4260智能工作站誕生，長城486計算機問世。1992年，中 國最大的漢字字符集——6萬計算機漢字字庫正式建立。第五階段（1992年至今） 1993年，中國第一臺10億次巨型銀河計算機II型通過鑒定。1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次。1997年，銀河Ⅲ并行巨型計算機研制成功。1999年，銀河Ⅳ巨型機研制成功。 而在國外電子計算機要比我們早十幾年。世界上第一臺電子數字式計算機于1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學研制成功，它的名稱叫ENIAC，是電子數值積分式計算機(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的縮寫。它使用了17468個真空電子管，耗電174千瓦，占地170平方米，重達30噸，每秒鐘可進行5000次加法運算。ENIAC誕生后短短的幾十年間，計算機的發展突飛猛進。主要電子器件相繼使用了真空電子管，晶體管，中、小規模集成電路和大規模、超大規模集成電路，引起計算機的幾次更新換代。每一次更新換代都使計算機的體積和耗電量大大減小，功能大大增強，應用領域進一步拓寬。特別是體積小、價格低、功能強的微型計算機的出現，使得計算機迅速普及，進入了辦公室和家庭，在辦公室自動化和多媒體應用方面發揮了很大的作用。目前，計算機的應用已擴展到社會的各個領域。可將計算機的發展過程分成以下幾個階段：第一代為電子管計算機；第二代為晶體管計算機；第三代為中小規模集成電路計算機；第四代為大規模、超大規模集成電路計算機；第五代為巨大規模集成電路新一代計算機（1990年至現在）。 四代機出現以后，日、美、歐等從20世紀80年代開始，積極開展新一代計算機的研究，但由于對新一代計算機的過高期望，使得至今仍未有突破性進展，還沒有哪一種計算機被人們公認為新一代計算機的典型代表。當前，人們在改進計算機芯片制造工藝的同時，大力研究新型計算機元件。光子元件、超導元件、生物電子元件、神經網絡系統等研究已見端倪，新一代計算機的曙光已經出現。目前，計算機技術正朝著微型化、巨型化、網絡化、智能化、多媒體化等方向發展。 而模型計算機是將計算機的簡化，實現相同功能，在理解和研究方面更方便，更快捷，由此更受到界內人士的好評。模型計算機的研究仍在發展當中，國內外還沒有太多的資料結果顯示，本課題就是模型計算機的具體內部構造，實現各部分部件功能，了解其工作原理。模型計算機有著重要的發展地位，在今后幾年會成為研究的重點，同樣是發展計算機性能的重要途徑。2 基于VHDL編程的基礎知識 VHDL語言概述VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)即超高速集成電路硬件描述語言。美國國防部在20世紀80年代初為其超高速集成電路VHSIC計劃提出的硬件描述語言，它是硬件設計者和EDA工具之間的界面。設計者使用HDL來描述自己的設計，并把這個描述告訴EDA工具，最后在EDA工具的幫助下進行詳細地設計及驗證。硬件描述語言發展至今已有幾十年的歷史，并已成功地應用到系統的仿真、驗證和設計、綜合等方面。目前常用的硬件描述語言有AHDL、ABEL、VHDL、Verilog HDL等等。20世紀80年代后期，美國國防部開發的VHDL語言是IEEE標準化的硬件描述語言，并且已經成為系統描述的國際公認標準，得到眾多EDA公司的支持。VHDL語言覆蓋面廣，描述能力強，能支持硬件的設計、驗證、綜合和測試，是一種多層次的硬件描述語言。其設計描述可以是描述電路具體組成的結構描述，也可以是描述電路功能的行為描述。這些描述可以從最抽象的系統級直到最精確的邏輯級，甚至門級。運用VHDL語言設計系統一般采用自頂向下分層設計的方法，首先從系統級功能設計開始，對系統高層模塊進行行為描述和功能仿真。系統的功能驗證完成后，將抽象的高層設計自頂向下逐級細化，直到與所用可編程邏輯器件相對應的邏輯描述。VHDL語言還可以描述與工藝有關的信息，工藝參數可以通過設計文件語言參數來調整，不會因工藝變化與發展而使VHDL設計過時。因此，VHDL設計的生命周期與其他設計方法相比是最長的。VHDL的特點： 功能強大，描述力強。 可移植性好。 研制周期短，成本低。 可以延長設計的生命周期。 具有向ASIC移植的能力。 VHDL的設計流程1. 本課題采用的設計流程采用VHDL設計硬件電路系統的設計流程一般可以分為以下幾個步驟。（1）確定電路具體功能。通常情況下，開發前期先設計總體方案，但總體放啊相對比較抽象，使用VHDL的設計人員必須分析電路所要實現的具體功能。（2）設計輸入。利用自頂向下的方法，將設計劃分為不同的功能模塊。每個模塊完成一定的邏輯功能。模塊劃分是設計過程中的一個重要環節，這一步要花費較多的時間和精力完成，從而保證整體最優。（3）功能仿真。在功能仿真階段主要對所設計的電路進行功能驗證，通過功能仿真，發現設計存在的缺陷。例如，輸入輸出是否有矛盾，有無未加處理的輸入信號，是否允許使能等。通過功能仿真，在設計前期糾正缺陷和錯誤，可以節省后期的時間，縮短整體開