VHDLCPU实验报告Word文件下载.docx

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5.2本设计的体系结构…………………………………………………………5

5.测试结果与性能分析………………………………………………………20

6.课程设计总结………………………………………………………………….22

1．实验名称

微程序控制的模型计算机的设计与调试

2．实验目的

1．综合运用“计算机组成原理”和“数字电路”等课程的知识，通过对模型机的设计和调试，加深对计算机各部件工作原理的认识。

2．进一步掌握运用EDA技术进行设计和调试的工作方法。

3．掌握计算机硬件设计的思想，方法及工作过程，进一步培养工程设计的能力。

3．实验任务

1．自行规定数据格式和指令格式，在所提供的条件范围内设计一台由微程序控制（也可以用其他方式如组合逻辑等）的模型计算机。

2．根据设计方案，将模型机调试成功。

3．整理出相关文件。

（1）数据格式和指令系统。

（2）总框图。

（3）详细电路图或有关电路的VHDL语言源程序。

（4）微指令格式和微程序。

（5）调试过程和测试结果（包括测试程序）。

4．主要特色

1．增加了ROM的宽度，改为24位，使得可以在一个时钟内读出24位的微指令。

2．对电路进行了合理的修改，具体增加了SRC.DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到RA,RB的译码电路。

3．SRC.DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到WA,WB的译码电路，实现了对于源操作数的写入。

4．由微指令到8CPU中对应的端口译码。

5．重新构造了ROM，RAM，修改了时序电路，调整了M1,M2,M3,M4的时序。

6．除了书上要求的指令微程序以外，还对微程序进行了扩充，加了逻辑左移指令：

SAL（每次执行左移一位），以及乘法指令：

MUL（8位与8位数据相乘，得到16位数据高8位写回源操作数，低8位写回目的操作数）

7．修改了M1,M2,M3,M4的连接电路。

8．通过用软件模拟的方法，成功的构造了一个简单的CPU，更加熟练的学会使用EDA技术。

试验中结合了数字实验和组成原理部分内容。

9．用简单易读的方式排列24位控制信号，使得操作更加简便，如图所示

5．设计方案

5.1数据格式和指令系统（参考教材）

采用8位数据通路，数据采用8位二进制定点表示。

76543210

.

设置7条机器指令和两条面板操作指令

（1）面板操作指令（因为没有一BIOS及操作系统，所以用面板指令进行初始化，启动机器）

a.输入地址

为PC置初始值，即输入程序的起始地址，当K1开关置“1”，K2开关置“0”时执行此操作。

b.输入程序

将程序输入到内存的指定区域，当K1，K2开关均置“1”时，由面板输入开关输入程序

c.本模型机设置K3开关，K3置1表示执行单步操作。

d.START表示启动开关。

（2）指令系统

a.指令格式

操作码

寻址方式

有二种寻址方式

寄存器寻址

操作码

R目

R源

76543210

直接地址寻址

由于地址要占用一个字节，所以此类指令为双字节指令。

操作码

R源

内存地址

b.9条机器指令

INR；

从开关输入数据送入到指定的寄存器R。

格式：

0001

00

OUTR；

从指定的寄存器R中取出数据送入到输出缓冲器，显示灯亮。

0010

LDR,address；

从内存指定单元取出数据，送入指定的寄存器R。

格式：

0011

STaddress,R;

从指定的寄存器R中取出数据，存入内存指定单元。

0100

ADDR1，R2；

将两个寄存器中的数据相加，结果送到R1。

0101

JMPaddress;

无条件转移，即address→PC。

0110

HALT；

停机指令。

MULR1，R2；

将两个寄存器中的数据相乘，结果高8位送到R1，低8位送到R2。

1010

SALR；

将R中的数据左移一位，结果送到R1。

1001

5.2本设计的体系结构

为了简单方便起见，我们采用单总线结构，总体机构和CPU内部结构设计如图所示

总体结构图

CPU内部结构

1．数据通路设计

（1）采用Quartus—II软件工具，先设计出运算器部分，如图所示.ALU.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。

（2）采用Quartus—II软件工具，先设计出运算器部分，如图所示MUL.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。

介绍数据通路时打开8CPU.bdf

（2）根据指令系统，数据通路中应包括寄存器组，存储器等，采用单总线结构，

截图一分为二

（1）

（2）

其中为了做乘法，我们对8cpu加了6个控制信号，如图所示

2．控制器设计

（1）控制器总框图

控制信号

（2）微指令格式和微命令

首先对数据通路进行分析，需要22个控制信号。

此外还要2个信号：

UPC（表示一段微程序结束），HALT（停机），共需要24个控制信号。

采用水平型格式表示。

控制数据通路的16个信号说明如下：

G1，G2，G3，G4

ramormul，cmul分别控制6个多路开关

A，B，C，D，E

O，P，Q分别控制对应的寄存器输入

F控制计数器PC的输入和计数

I控制指令寄存器的输入

DEST目的寄存器的读出控制信号

SRC源寄存器的读出控制信号

WE对RAM的写入信号

GWN通用寄存器组的写入信号

LDNPC置初值的控制信号

SRCWE源或目的寄存器的写入信号

（3）控存的安排和时序信号

本方案采用的时序控制信号是由74393b产生的。

对于时序，本来是有六个时钟周期的，我们将其缩短在了四个，有效的提高了运行效率。

修改后的时序电路图

时序脉冲

（4）微地址入口电路的设计

为简单起见，微地址采用8位，其高4位由指令操作码控制，低4位由一个4位的计数器控制。

将ROM的高段地址区用于存放面板指令的微程序，低段地址存储区存放一般指令的微程序，控制电路可参考图6。

图3-6微地址入口电路

（5）微命令译码电路

a.本方案中寄存器组采用的是74670芯片，每次写入可以为源寄存器，也可以为目的寄存器，所以Wa,Wb要经过译码与IR2，IR3连接，读出时目的和源寄存器均可读出，所以依然要用译码电路。

电路设计如下：

写寄存器译码电路

读寄存器译码电路

b.停机电路

以下几种情况需停机：

（a）总清.（b）执行单指令操作，且一条指令执行完。

（c）执行停机指令。

根据这三种情况可以设计出停机电路。

c.UPC微命令表示一段微程序结束，因此该命令要做的工作是：

（a）置“0”微程序计数器（74161）。

（b）置“0”指令寄存器。

3．微程序和总电路图

微程序定义如下：

8cpu中的端口译码电路如下：

Rom修改为24位，修改电路如下：

24位重新排列微指令顺序

8CPU重新封装效果图

CPU总的电路图：

（截成四部分）

时序及upc产生部分

8cpu及寄存器读写译码部分

控制信号译码部分

Rom及取微指令部分

、

6．测试结果与性能分析（测试程序、时序图、编译报告中资源使用情况）

仿真：

微程序和电路设计完成后，进行编译，并通过仿真来检验cup的各项功能。

仿真时，先用面板指令输入程序的起始地址和一段小程序。

我们输入的程序为：

初始地址为00H，即

Ram中程序如下：

进行仿真，首先开关K1置1，K2置0，kdata为00H，为PC置初始值00即程序口地址，接着将K1置0，执行程序。

此时，我们置kdata始终为02H，通过IN指令输入到R0和R1中，然后继续执行程序！

建立vwf文件如下:

仿真结果如下:

7．课程设计总结

本实验是设计一个小型CPU，主要工作是在给定的CUP主体结构上完善电路，修正已有电路错误以及设计微程序。

本实验有相当的综合性：

在实践过程中，我们充分使用了组成原理、微机接口、数字电路等相关知识。

通过本次实验，我们对CPU的结构和工作原理有了切实的认识。

尤其在总线，时序，微指令等方面，投入的时间不少，体会很深。

我们深刻理解了总线作为指令和数据传输的道路和桥梁，在CUP的工作过程中扮演的重要角色；

弄懂了通过时序的调节解决总线的冲突的方法；

在全面细致地分析了CUP结构和工作原理的基础上，我们掌握了编写微指令的方法与技巧。

通过组内讨论和求教于老师、同学，我们顺利的完成了基本的实验目标，并做了进一步研究。

利用加法指令，我们增加了SAL（左移一位）指令。

采用控制RA、RB读信号的控制思路，我们使得源、目的寄存器均可写入。

在此基础上，我们引入了8位乘法器，将结果——16位二进制数，成功写入源、目的寄存器。

对现有的24位控制信号，我们充分利用了每一位。

同时，我们注意到实验中还有很多可以改进的地方。

由于时间和给定CPU规格的限定，很多想法未能实施。

比如，编写微指令时，我们注意到：

一条指令中的某条指令在M3时已经完成，空等一个M4，才取下一条。

这样的情况并不少见。

如果将执行微指令、取微指令等改为下降沿也能触发，就可以把下一条提到M4做，这就省了一个整个指令周期。

宏观的时间节省量自然也十分可观。

再如，实验提供的ROM为24位，这使得控制信号剩余不多，一旦想多加其它组件，就会为之苦恼。

我们想到自取名为“多面手控制信号”的解决方案：

对于互斥的两条指令A和B（如ADD和MUL（肯定不会同时做）），可以根据需要，让A的控制型号同时控制B，所需做的额外工作是修改ROM中的微指令即可。

比起想法设法地扩展ROM，这种方法既快速，又充分利用资源。

实验提供的CPU中有不少这样的控制信号，值得好好利用。

当然，缺点也显而易见，由于控制信号一对多，修改、删除时得慎之再慎，增加了CUP维护的难度。

总之，通过本次实验，我们体会了学以致用的快乐，为进一步的深入的学习增添了几分信心。