本简介介绍如何使用Quartus II软件及FPGA技术开展《计算机组成原理》课程中的设计实验,旨在增强学生对硬件描述语言的理解与实践能力。
微指令实现模型机操作的关键在于整个机器的运行是有顺序和步骤(“周期”或者说是“节拍”)的,程序执行包括各种算术运算和逻辑运算是分步进行的。设计的核心是确保这些步骤有序进行,主要通过下地址形成部件来完成。该部分包含选择器用于提取指令寄存器(IR)以确定微程序入口,并使用μPC(微程序计数器)来决定下一步执行哪条微指令;一条宏指令通常由多条微指令组成,而一种操作又可能需要一系列的宏指令才能完成。
在设计过程中,将具体的操作分解为若干个步骤:首先将其划分为不同的宏观命令,然后进一步细化成具体的微观命令。每条微指令都包含了μIR27至μIR0之间的多个控制位端口,并通过这些端口实现相应的功能如运算控制、程序计数器(PC) 控制和选择器控制等。
硬布线电路的设计基于上述微指令体系架构,具体包括各种控制信号(例如M, S0-S3, CN)、时钟脉冲(CPR0-1,CPMAR,CPIR,CPPC)、读写操作(RD WR)以及选择器(MA RA PB RB)等的直接硬件实现。其中设计的关键在于节拍发送器和控制信号生成部件。
通过这次实验,我对计算机组成原理有了更深的理解,无论是微指令还是微操作或是寻址方式乃至CPU总线上的运算执行过程都有了更清晰的认识,并且在调试过程中对脉冲、步骤以及指令的灵活运用也得到了提升。此外还能够亲手设计底层元件并实现一个简易的CPU运算器。