计算机组成原理堆栈

1、摘 要堆栈是计算机系统中的一个重要概念，也是理解微型计算机组成的一个基础概念。堆栈是一种存储部件，即数据的写入跟读出不需要提供地址，而是根据写入的顺序决定读出的顺序。堆栈也是一种数据结构。有一个地址指针总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元，存放这个地址指针的寄存器就叫做堆栈指示器。数据一个一个地存入，这个过程叫做“压栈”。在压栈的过程中，每有一个数据压入堆栈，就放在和前一个单元相连的后面一个单元中，堆栈指示器中的地址自动加1。读取这些数据时，按照堆栈指示器中的地址读取数据，堆栈指示器中的地址数自动减 1。这个过程叫做“出栈pop”。如此就实现了后进先出的原则。一般的堆栈存储器由ram、寄

2、存器a,寄存器b构成。算术运算一般在寄存器a和寄存器b 之间进行，其中的数据可能来自于进栈的输入也可能来自栈堆的出栈。运算结果则会放入寄存器b中以待下步操作。此次的课程设计做出的堆栈处理器，使其能与外部数据总线进行数据交换，且符合堆栈要求（先进后出），并能对存储的数据进行算术运算，且存储的数据的数据位不少于8位，通过数码管显示操作数据及运算结果（只有寄存器a、b直接与外部总线进行数据交换，ram只和寄存器b进行数据交换）。关键词：堆栈，ram, push, pop , 寄存器a，寄存器b 目 录一. 任务解析.3二. 系统方案论证.32.1总体方案与比较论证.32.2 设计思路.42.3系统原

3、理与结构.4 2.3.1 系统框图.4 2.3.2 系统结构框图.5 2.3.3堆栈电路图.5三. 设计过程.63.1堆栈存储器的设计.6 3.1.1堆栈存储器设计原理及仿真结果.63.2对数据进行算术运算的设计及仿真.7 3.2.1 对存储器中数据进行加法运算.7 3.2.2 对存储器中数据进行减法运算.8 3.2.3 对存储器中数据进行乘法运算.8 3.2.4 对存储器中数据进行除法运算.9四. 总结.94.1遇到的问题及解决方案.94.2设计心得.104.3参考文献.101、 任务解析堆栈处理器应能完成两个基本的功能：与外部数据线的数据交换符合堆栈要求（先进后出）；对存储的数据能进行算术

4、运算。对整个堆栈处理器有以下要求：1与外部数据线的数据交换符合堆栈要求（先进后出）即实现进栈（push）和出栈（pop）操作； 2对存储的数据能进行算术运算即能进行简单的加减乘除算；3数据位数不少于8位：4能进行简单的判断运算或操作出现错误时会报警提示。根据堆栈处理器实验要求，可画出程序流程图如下图：图1、程序流程图2、 系统方案论证2.1 总体方案与比较论证 方案一、直接用vhdl语言实现其功能，包括对存储器的入栈出栈处理、与数据总线的数据交换，包括对数据的算术运算处理。 此方案可实现其功能，但是由于对于算术运算中乘法器和除法器用vhdl语言来实现会比较繁琐，且不容易实现，故此方案不够理想。

5、 方案二、直接用lpm模块进行定制ram、乘法器和除法器等器件。 此方案对于ram、乘法器、除法器的定制比较简单、灵活，但是对于其数据先进后出的控制会比较麻烦。 方案三、用vhdl语言来实现数据的堆栈处理，用lpm模块进行定制乘法器和除法器等器件。 此方案简单且易实现。 综合以上几种方案的优缺点，方案三简单易实现，且其实现的过程比较简单易理解，并且完全可以达到设计要求，故采用第三种方案。2.2设计思路围绕着要实现的功能，分析堆栈处理器应该具有哪些输入输出信号，明确设计要求。1.从堆栈角度考虑(1)堆栈的指示信号:堆栈其实是一个能随机存取数据的存储器，它符合先进后出的原则。作为一个存储器，除工作

6、速度外，它的首要指标是容量，设其字数为aa，每个字n位。表征存取字位置的指示信号是地址，在堆栈中称为指针sp。当指针处于栈顶时，sp=0，对应满栈，应有满栈指示信号full=1。当栈空时，指针sp=aa，应有空栈指示信号empty=1。同时规定指针sp始终指向操作之前的栈内有内容的位置。(2)堆栈的操作:作为堆栈它的操作只有两项，入栈（push）和出栈（pop）。入栈操作push后指针sp（sp-1），出栈操作pop后指针sp（sp+1）。若full=1，不能入栈（push），若empty=1，不能出栈（pop）。否者出现错误操作信号提示error=1。2.从算术运算功能考虑首先应有进行算术运

7、算的指示信号，即输入信号add, sub, mul, div。由于不同的运算所需的时间不同，因此必须有一个启始信号start和一个完成信号ready。堆栈中两个数据进行算术运算的为地址分别为sp和sp+1的两个数据送入运算器进行运算，运算后将结果送入地址为sp+1的字中。当堆栈只有一个字时，不能进行算术运算，因此必须有一个one指示。当指针处于栈底时，sp=aa-1，这时堆栈只有一个字，应有指示信号one=1。若此时进行运算操作则要有报错信号error=1.2.3系统原理与结构2.3.1系统框图对本设计分析： 在本设计中要求此堆栈处理器能与外部数据总线进行数据交换，且数据遵循先进后出的堆栈要求

8、，并要求有指示信号，即满栈指示信号full，空栈指示信号empty，满栈时不能入栈（push），空栈时不能出栈（pop），在此设计中要求对存储的数据进行算术运算，故有进行加减乘除的指示信号，add、sub、mul、div， 由于不同运算所需时间不同，所以需有一个启动信号start和一个完成信号ready,当堆栈中只有一个字时不能进行算术运算，故需要一个one指示信号来控制是否可以进行算术运算，由此得到如下系统框图： 图2、系统框图2.3.2系统结构框图通过对设计任务的各个功能实现的具体分析，得到下面的堆栈处理器的结构框图： 图3、结构框图2.3.3堆栈电路图 图4、电路图3、 设计过程3.1

9、堆栈存储器的设计3.1.1 堆栈存储器设计原理及仿真结果 对此设计进行具体分析，首先是对数据的先进后出的堆栈处理： 图5、堆栈存储器结构图堆栈其实是一个能随机存取数据的存储器，它符合先进后出的原则。作为一个存储器，除工作速度外，它的首要指标是容量，设其字数为aa，每个字n位。表征存取字位置的指示信号是地址，在堆栈中称为指针sp。当指针处于栈顶时，sp=0，对应满栈，应有满栈指示信号full=1。当栈空时，指针sp=aa，应有空栈指示信号empty=1。同时规定指针sp始终指向操作之前的栈内有内容的位置。设fa、fb为寄存器a、b的指示信号，当fa=1、fb=1时表示a、b中存有数据。当指针处于

10、栈顶即sp=0、fa=1、fb=1时，栈满full=1；当指针sp=8、fa=0、fb=0时，栈空empty=1；当sp=7、fa=0、fb=0或sp=8、fa=0、fb=1时，堆栈中只有一个数据，one=1。当full=1时，不能入栈（push）；当empty=1时，不能出栈（pop）；当one=1时，不能进行算术运算。图6堆栈存储器进栈出栈的仿真图由图6可知，当push=1即高电平时，压入寄存器b的数据为2，而后push为低电平，当其为高电平时压入寄存器a第二个数据3，当pop=1时，数据出栈，此时寄存器a、b均满，将寄存器a中数据输出到数据总线上，输出数据为3。3.2 对数据进行算术运算

11、的设计及仿真在此设计中，对于存储器中数据的运算是，将数据存入寄存器a和寄存器b中进行算术运算之后，再将运算结果存入寄存器b中的过程。3.2.1对存储器中数据进行加法运算： 图7存储器中数据进行加法运算的仿真图由图7可知，依次压入两个数据2、3，压入之后数据2存入寄存器b中，3存入寄存器a中，当start=1，enter2=0且enter1=0时，数据进行加法运算，结果为5，存入b寄存器中。3.2.2对存储器中数据进行减法运算：图8存储器中数据进行减法运算的仿真图由图8可知，依次在寄存器b,a中存入数据2和3，,当start=1，enter2=0且enter1=1时，进行减法运算，结果为1，存入

12、b寄存器中。3.2.3对存储器中数据进行乘法运算： 图9存储器中数据进行乘法运算的仿真图 依次压入数据2、3，此时寄存器a和寄存器b中内容分别是3和2，当start=1，enter2=1且enter1=0时，进行乘法运算，结果为6，存入寄存器b中。此时寄存器a空b满，再压入数据15，压入的数据存入寄存器a中，当start=1，enter2=1且enter1=0时，进行乘法运算（6*15），结果有溢出，error=1，发出报警信号。3.2.4对存储器中数据进行除法运算：图10存储器中数据进行除法运算的仿真图 依次压入数据3、6，此时寄存器a和寄存器b中内容分别是6和3，当start=1，ente

13、r2=1且enter1=1时，进行除法运算（6/3），结果为2，存入寄存器b中。4、 总结4.1 遇到的问题及解决方案为期两周的堆栈处理器课程设计终于完成了，努力终于有了结果，学到了很多有用的知识，其中也遇到了很多的问题。在课程设计开始的时候，我选用vhdl语言编写乘法器和除法器的程序，但在这个问题上思考花费的时间比较长，并且最终也没有得到预期的结果，乘法器的程序刚开始编写的时候就遇到了问题，想到乘法如何实现，怎样实现，多次仿真之后始终得不到满意的结果，到最后经老师指点，顺利编写成功，经过仿真之后结果也比较令人满意，但是在编写除法器的过程中又遇到了很多的问题，编写出来的程序仿真结果一直不正确，

14、最终感觉到自己能力有限，就放弃了这种用vhdl语言实现乘法器和除法器的方案，选择了用lpm模块定制乘法器和除法器的方案来完成设计，最终选定模式5，并且对自己的程序进行了修改，合理安排输入输出，然后下载到试验箱上观察实验结果。最初的开始只有入栈、出栈、加法和减法结果正确，乘法和除法的结果都不正确，通过检查发现是自己在建工程的过程中出现错误，没有把顶层文件名和工程名保持一致，之后只好又重新开始建工程，编译下载，最终在实验板上看到了实验结果，实现了堆栈处理器应能完成两个基本的功能：与外部数据线的数据交换符合堆栈要求（先进后出）；对存储的数据能进行算术运算，由此完成了此次对于堆栈处理器的课程设计。4.

15、2 设计心得 整个堆栈设计通过了软件和硬件上的测试，我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升，对于堆栈处理器，其程序结构很简单，但编写起来有些难度，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了自己解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。 这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计过程中，当我们碰到不明白的问题时，齐老师总是耐心耐心的