基于Quartus II的微程序控制簡易計算機的設計顧 暉，王禮春，成 耀（南通大學計算機科學與技術學院，江蘇 南通226019）【摘 要】 本文借助于Quartus II軟件在計算機上仿真設計了一臺微程序控制的簡易計算機，通過介紹電路仿真的主要流程，我們可以加深對計算機系統各模塊的工作原理及相互聯系的認識。【關鍵詞】 Quartus II EDA 微程序控制 計算機0 引言Quartus II是由美國Altera公司開發的，是一款功能比較強的EDA工具軟件，它的優勢主要體現在其功能齊全，簡單易用1。我們借助Quartus II6.0現有的器件，綜合設計了一個簡易計算機系統，并使用Quartus II6.0完成仿真2，通過仿真波形展示該系統指令的執行流程，以及微指令的控制方法。1 簡易計算機系統的體系結構及功能模塊設計一臺微程序控制的簡易計算機系統包含以下幾個模塊3：圖（1） 微程序控制的簡易計算機系統結構示意圖a) 運算模塊，由ALU (兩片74181)，數據寄存器DR1,DR2（兩片74273）以及數據緩沖器ALU_BUF (一片74244)構成，完成DR1與DR2的各種運算；b) 存儲模塊，由RAM(一片lpm_ram_dp0),RAM_BUF(一片74273),AR(一片74273)構成，由AR提供地址，完成RAM 的存取數據操作；c) 程序計數器模塊，由PC(兩片74161),PC_BUF(一片74244)構成，完成保存指令地址，以及提供RAM存取操作所需地址(包含存取數據與指令)；d) 微程序控制模塊，由IR(一片74273)，微存儲器(一片lpm_rom0),指令譯碼器(三片74273),以及一片74138（完成組合譯碼功能）構成，完成系統的控制功能；e) 輸入模塊，由IN_BUF(一片74244)構成，完成輸入端IN0IN7的數據輸入功能；f) 時序電路，由集成計數器（一片74161）及三八譯碼器（一片74138）構成，可產生時序信號。微程序控制的簡易計算機系統結構示意圖請參考圖（1）。1.1 時序電路3 4時序電路見圖（1.1）。各個端口功能如下：a) R_CLK，時序電路的原始時鐘，用來產生三個連續的時鐘脈沖IR_CP,ROM_CP,TR_CP；b) START，啟動鍵，低電平時有效；c) IR_CP，一個微指令周期的第一個上升沿，為指令寄存器IR的時鐘信號；d) ROM_CP，一個微指令周期的第二個上升沿，為微存儲器ROM及地址寄存器AR共用的時鐘信號；e) TR_CP，一個微指令周期的第三個上升沿，為指令譯碼器，數據寄存器DR1、DR2，寄存器R0及RAM存儲器共用的時鐘信號。說明 ：該時序電路利用集成計數器74161的計數循環特性，通過選擇三八譯碼器74138來產生三個連續的脈沖信號，以形成一個微指令周期。因本系統只是設計簡易計算機系統，所以未設計RESET鍵。1.2 微程序控制器模塊3 4控制器模塊譯碼后輸出的控制信號見圖（1.2）。各控制端功能如下：a) 05號控制端，輸出下一條微指令在微存儲器中的地址；b) 6號控制端LDR0，R0寄存器的時鐘使能信號，高電平時有效；c) 7號控制端，指示是否有下一條微指令，若有則執行下一條微指令，若無，則執行下一條指令；d) 810號控制端，采取組合譯碼方式，分別用來選擇控制端PC_BUF , ALU_BUF,IN_BUF,RM_BUF,以及R0寄存器的輸出使能端，均為低電平時有效，當組合譯碼輸出為000時表示不選擇任何控制端；e) 11號控制端LDRM，RAM存取操作時鐘使能信號；f) 12號控制端LDAR，AR送地址操作的時鐘使能信號；g) 13號控制端LDDR2，數據寄存器DR2的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發；h) 14號控制端LDDR1，數據寄存器DR1的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發；i) 15號控制端LDPC，程序計數器PC的時鐘使能信號，上升沿到來時觸發；j) 16號控制端LOAD，程序計數器PC的同步并行置數端，低電平有效，若要完成同步并行置數，必須要維持此信號到程序計數器PC的時鐘信號上升沿到來之后；k) 17號控制端W，RAM的讀寫控制端，高電平時為寫，低電平時為讀；l) 18號控制端CN0，運算器的低位進位端。低電平為有進位，高電平時為無進位（注：只有在算術運算時是有效的）；m) 19號控制端M，高電平時控制運算器執行算術運算，低電平時控制運算器執行邏輯運算； n) 2023號控制端S0S3，組合控制運算器執行不同的運算，如:1001時可以執行加（在19M號控制端為低電平，18號控制端CN0為高電平時有效）。說明：微程序的輸出控制端口（除六條微地址接口外）均是與其它模塊相連接的控制端口，因此對其他模塊的控制端口不再作進一步的闡述。1.3 運算器模塊4 5運算器模塊的控制端口有:M,CN0,S0S3,N_AU,N_IN,詳細說明請見控制器模塊，模塊結構請見圖(1.3)。1.4 存儲器模塊存儲器模塊的結構請見圖(1.4)，其各個控制端口已在控制器模塊中作了詳細說明。1.5 數據顯示燈2 4為了調試時的方便，在設計過程中添加了一些數據顯示燈，如下所示: a) DR1_OUT0DR1_OUT7，數據寄存器DR1的顯示燈； b) DR2_OUT0DR2_OUT7, 數據寄存器DR2的顯示燈；c) IR0IR7，指令寄存器IR的顯示燈；d) BUS0BUS7，總線的數據顯示燈；e) TR_OUT0TR_OUT23，指示當前譯碼后的微控制信號的顯示燈；f) CN8_ALU,運算器的最高位進位端。2 簡易計算機系統的仿真實現4 62.1 工程的建立 a) 在Quartus 環境下，打開菜單File，選擇子菜單New Project Wizard后，按照向導窗口的提示，在窗口中正確輸入有關的路徑名和項目名稱后，按下“ Finish”按鈕，即可完成項目的新建工作；b) 創建一個.dbf文件：選擇FileNew,打開“新建”窗口：在“Device Design Files”頁，選中“Block Diagram/Schematic File”項后，按下“OK”按鈕即可打開原理圖編輯器，繪制系統的總體結構圖，參圖1.11.5；c) 由于該系統用到存儲器，因而還需分別創建一個24位的和一個8位的.hex（或.mif）文件。2.2 編寫指令與微碼系統運行必然需要指令，由于該系統是由微程序控制的，所以還需要編寫微碼。a) 對8位的.hex（或.mif）RAM存儲器編寫程序即指令，各條指令在微指令存儲器中如圖(2)，這里編寫了最常用的五條指令；b) 對24位的.hex（或.mif）ROM存儲器編寫微碼，控制各個模塊執行不同的操作，五條指令的微碼如圖(3)，其中前面兩條為完成取指令的通用微碼，即每條指令都要調用的，最后一條指令(地址為:FFH)是為初始啟動時引導系統去取指令并執行后續指令服務的) 。2.3 指令的格式3該系統設計使用了五條指令，分別為輸入指令IN，加法指令ADD, 寫指令STA, 讀指令OUT,跳轉指令JMP，字長均為8位，其格式及功能如下:a) 輸入指令IN：為單字長指令，其功能是將數據開關的8位數據輸入到R0寄存器；b) 加法指令ADD: 為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數地址，其功能是將R0寄存器中的值與內存中地址為第二個操作數的內容加起來，并將結果存入R0寄存器中；c) 寫指令STA：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數地址，其功能是將R0寄存器中的值,存儲到以第二個操作數為地址的內存單元中；d) 讀指令OUT：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數地址，其功能是將以第二個操作數為地址的內存單元中值讀到數據總線并顯示；e) 跳轉指令JMP：為雙字長指令，第一個字為操作碼，第二個操作數地址，其功能是程序無條件跳轉到第二個字指定的內存單元地址。 2.4 微指令的格式 當系統建好后，微程序控制器的大部分結構也就隨之確定了。 該系統采用了水平型微指令格式，微命令編碼直接表示法與字段直接譯碼法相混合的編碼方法，后續微地址由標志位判定，后續微碼、后續指令自動互斥選擇執行。2.5 調試并仿真4以上完成了系統的繪制及編碼工作，接下來對其進行以下幾步調試。a) 分別完成RAM與ROM的.hex（或.mif）文件，保存后并編譯；b) 調試無錯后再創建一個.vwf文件，并添加相應控制結點及數據顯示燈，然后調制適當的波形(見圖(2)后，再進行仿真；c) 系統的仿真波形如圖（3），該圖給出了系統循環執行輸入指令IN，加法指令ADD,寫指令STA，讀指令OUT，跳轉指令JMP的執行過程。3 結束語通過該系統的設計，對于較復雜的系統，常采用的方法就是將其分成各個模塊來實現，這樣可以很大程度上簡化整個系統的設計以及實現上的難度，充分發揮了化繁為簡的作用。通過使用Quartus II6.0對整個系統進行整體分析、模塊設計、模塊整合、編譯仿真等操作，我們可以察覺Quartus II6.0充分發揮了設計上的優勢，簡單易用，便于整合，方便修改。參 考 文 獻1覃貴禮,譚呈祥. 用Quartus II實現數字電路實驗中的仿真J. 南寧師范高等專科學校學報,2005(2):71-73.2鄭亞民,許敏. 基于Quartus II的帶計時器功能的秒表系統設計J. 電子工程師, 2005(01):59-62.3王愛英. 計算機組成與結構M. 北京：清華大學出版社,2001.4 Altera公司. Quartus II 軟件EB/OL./products/software/products/quartus2/qts-index.html, 2007-8-18/2007-8-26.5東南大學計算機學院. ALU部件 EB/OL. /people/xuzaolin/Chapter3/untitled14.html, 2007-5-11/2007-8-23.6李雪梅. 用Quartu II4.0設計數字電路過程的介紹J. 現代電子技術, 2005(06):35-38.Design of Simple Computer based on Quartus IIGu Hui，Wang Li-chun，Cheng Yao（School of Computer Science & Technology, Nantong University, Jiangsu, China 226019）Abstract: In this article, the authors use Quartus II to design a simpl