QuartusⅡ平台上的计算机模型机设计与实现

"CPU系统 计算机原理" 在计算机科学中，CPU（中央处理器）是计算机的核心组件，负责执行指令和控制整个系统的操作。本课程设计的目标是通过实际操作来深化对计算机原理的理解，特别是在QuartusⅡ开发平台上设计一个完整的计算机系统模型。这个模型机应该具备以下功能： 1. **总体结构设计**：构建计算机的整机系统模型，包括各个主要组成部分，如控制器、运算器、存储器和输入/输出设备。 2. **数据通路和控制信号设计**：设计数据通路，它是CPU内部数据流动的路径，包括数据的传输、处理和存储。同时，设计控制信号，即微命令，用于协调CPU各部分的操作。 3. **指令系统设计**：定义模型机的指令集，包括各种数据移动、算术和逻辑操作等基本指令。 4. **指令流程和微操作命令**：为每条指令制定详细的执行流程，以及相应的微操作命令序列，这些命令将指导CPU如何执行指令。 5. **控制部件设计**：创建一个控制部件，它能根据时序系统的配合，产生必要的微操作命令，使得计算机能够自动运行存储在主存（RAM）中的程序。 6. **运行测试**：确保模型机在启动后能够稳定工作，连续执行RAM中的程序。 7. **验证设计**：通过检查程序运行时的波形图，验证设计的正确性和功能完整性。 在设计过程中，涉及到了一系列具体的硬件组件，例如： - **时序发生器（TIMER）**：产生定时脉冲，用于同步整个系统的操作。 - **寄存器组（REG）**：存储临时数据或指令地址，这里包括四个16位寄存器。 - **总线暂存器（D）**：在总线传输数据时提供缓冲，支持循环移位功能。 - **算术逻辑单元（ALU）**：执行算术和逻辑运算，此处为16位。 - **程序计数器（PC）**：保存下一条要执行的指令地址，8位宽。 - **存储器（RAM）**：存储数据和程序，8位地址，16位数据宽度。 - **微程序控制部件**：包含指令寄存器（IR）、微程序计数器（uPC）、控存（CM）和微指令寄存器（vIR），用于实现复杂的控制逻辑。 此外，还列举了一些基本的指令操作码助记符和它们的功能，例如`MOV`用于数据转移，`ADD`用于执行加法运算。这些指令构成了模型机的基本指令集，它们的机器操作码和功能描述了模型机的计算能力。 通过这样的课程设计，学生可以深入理解计算机硬件的工作原理，提高硬件设计技能，并学习如何将理论知识应用到实际项目中。