向明尚 张 强

(东北石油大学计算机与信息技术学院， 黑龙江 大庆 163318)

0 前言

传统的计算机体系结构是指计算机的概念性结构，其作用是针对不同的层次分配软硬件功能和确定软硬件界面[1]。从存储程序和数据的角度，可将其分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是将指令存储器和数据存储器合并在一起。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种并行存储器结构(见图1)，其中程序和数据存储在不同的存储器中，可分别编址独立访问。

图1 哈佛结构示意图

模型机采用的是哈佛结构设计指令和数据存储器，指令存储器用于保存系统和用户程序，数据存储器用于保存操作数据、计算结果以及作为数据的交换空间。计算机系统通常由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大功能部件组成[2]。其中，运算器用于算术逻辑运算；控制器用于控制程序和数据的输入、运行以及计算结果的输出；存储器用于保存程序和数据；输入设备用于输入程序和数据；输出设备用于输出计算机系统的计算结果及运行状态，通过显示器等设备予以显示。

计算机系统中采用数字化信息来表示数值与其他各种类型的信息，采用逻辑代数作为硬件设计的基本数学工具[3]。硬件电路的实现，可以通过现场可编程逻辑阵列(field-programmable gate array，FPGA)[4]和专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)来完成[5]。ASIC通用性较差[6-8]，因此本次研究采用FPGA实现哈佛结构模型机的设计。

1 功能模块设计

针对计算机系统中各功能模块进行层次设计[9]，设计的首要原则是简化原则。……