8位CPU的设计与实现.docx
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8位CPU的设计与实现
计算机组成原理
实验题目 8位CPU得系统设计
学 号 1115106046
姓 名 魏忠淋
班 级 11电子B班
指导老师凌朝东
华侨大学电子工程系
8位CPU得系统设计
1、实验要求与任务
完成从指令系统到CPU得设计,编写测试程序,通过运行测试程序对CPU设计进行正确性评定。
具体内容包括:
典型指令系统(包括运算类、转移类、访存类)设计;CPU结构设计;规则文件与调试程序设计;CPU调试及测试程序运行。
1。
1设计指标
能实现加减法、左右移位、逻辑运算、数据存取、有无条件跳转、内存访问等指令;
1、2设计要求
画出电路原理图、仿真波形图;
二、CPU得组成结构
3、元器件得选择
1.运算部件(ALU)
ALU181得程序代码:
LIBRARYIEEE;
USEIEEE、STD_LOGIC_1164。
ALL;
USEIEEE、STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYALU181IS
PORT (
S :
INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO 0);
A :
INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
B :
IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO0);
F:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
ﻩCOUT:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO 0);
M:
INSTD_LOGIC;
CN:
INSTD_LOGIC;
CO,FZ:
OUT STD_LOGIC );
END ALU181;
ARCHITECTUREbehavOFALU181IS
SIGNALA9:
STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);
SIGNALB9:
STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);
SIGNAL F9 :
STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO 0);
BEGIN
A9<='0'&A ;B9<=’0’ & B ;
PROCESS(M,CN,A9,B9)
BEGIN
CASES IS
WHEN"0000"=〉IFM='0’ THEN F9<=A9+ CN ;ELSEF9<=NOTA9; ENDIF;
WHEN"0001"=> IFM='0’THENF9<=(A9orB9) +CN ; ELSE F9〈=NOT(A9 ORB9); ENDIF;
WHEN”0010" =>IFM=’0’THEN F9〈=(A9or(NOTB9))+ CN ;ELSE F9<=(NOT A9)AND B9; ENDIF;
WHEN"0011"=>IF M='0’THENF9<=”000000000" — CN ; ELSEF9<="000000000”; END IF;
WHEN "0100”=>IF M='0'THENF9<=A9+(A9ANDNOTB9)+ CN ;ELSE F9〈=NOT (A9AND B9); END IF;
WHEN”0101”=> IFM='0'THEN F9<=(A9or B9)+(A9ANDNOTB9)+CN ; ELSEF9<=NOTB9; END IF;
WHEN "0110"=>IFM=’0’THENF9〈=(A9 -B9)- CN ; ELSEF9〈=A9 XORB9; ENDIF;
WHEN”0111" => IFM='0'THEN F9〈=(A9or (NOTB9))-CN ; ELSE F9<=A9and(NOTB9); ENDIF;
WHEN "1000"=> IF M='0'THENF9<=A9 +(A9ANDB9)+CN;ELSEF9〈=(NOT A9)and B9; ENDIF;
WHEN"1001” =>IF M=’0’ THEN F9〈=A9 +B9+CN ;ELSE F9<=NOT(A9XORB9); ENDIF;
WHEN”1010" =>IF M=’0'THENF9〈=(A9 or(NOT B9))+(A9 ANDB9)+CN;ELSEF9<=B9; ENDIF;
WHEN"1011”=〉IF M='0' THENF9<=(A9ANDB9)-CN ;ELSEF9<=A9AND B9; ENDIF;
WHEN”1100”=〉IFM='0'THENF9<=(A9+ A9)+CN ;ELSEF9〈= "000000001"; ENDIF;
WHEN"1101” =〉IFM='0'THENF9〈=(A9orB9) +A9+CN ; ELSE F9〈=A9OR(NOTB9); ENDIF;
WHEN"1110" =>IF M='0' THENF9<=((A9or(NOTB9)) +A9)+CN ;ELSE F9〈=A9 ORB9; ENDIF;
WHEN ”1111”=〉IF M=’0' THENF9<=A9— CN ; ELSEF9<=A9; ENDIF;
WHENOTHERS =>F9<=”000000000";
END CASE;
IF(A9=B9)THEN FZ<=’0';ENDIF;
ﻩENDPROCESS;
F<= F9(7DOWNTO 0); CO<=F9(8);
COUT<="0000"WHENF9(8)=’0' ELSE"0001";
END behav;
ALU得原理图:
2、微控制器
实现信息传送要靠微命令得控制,因此在CPU中设置微命令产生部件,根据控制信息产生微命令序列,对指令功能所要求得数据传送进行控制,同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。
微命令产生部件可由若干组合逻辑电路组成,也可以由专门得存储逻辑组成、产生微命令得方式可分为组合逻辑控制方式与微程序控制方式两种。
在本章所介绍得8位模型CPU设计中,采用微程序控制方式通过微程序控制器与微指令存储器产生微命令,因此此CPU属于复杂指令CISC CPU、
微控制器得原理图:
3、寄存器组
计算机工作时,CPU 需要处理大量得控制信息与数据信息。
例如对指令信息进行译码,以便产生相应控制命令对操作数进行算术或逻辑运算加工,并且根据运算结果决定后续操作等。
因此,在CPU中需要设置若干寄存器,暂时存放这些信息。
在模型CPU中,寄存器组由R0、R1、R2所组成、
寄存器组得原理图:
3、地址寄存器
CPU访问存储器,首先要找到需要访问得存储单元,因此设置地址寄存器(AR)来存放被访单元得地址。
当需要读取指令时,CPU先将PC得内容送入AR,再由AR将指令地址送往存储器、当需要读取或存放数据时,也要先将该数据得有效地址送入AR,再对存储器进行读写操作。
地址寄存器得原理图:
4。
指令寄存器
指令寄存器(IR)用来存放当前正在执行得指令,它得输出包括操作码信息、地址信息等,就是产生微命令得主要逻辑依据。
指令寄存器得原理图:
5、程序计数器
程序计数器(PC)也称指令指针,用来指示指令在存储器中得存放位置。
当程序顺序执行时,每次从主存取出一条指令,PC内容就增量计数,指向下一条指令得地址。
增量值取决于现行指令所占得存储单元数。
如果现行指令只占一个存储单元,则PC内容加1;若现行指令占了两个存储单元,那么PC 内容就要加2。
当程序需要转移时,将转移地址送入PC,使PC 指向新得指令地址、因此,当现行指令执行完,PC 中存放得总就是后续指令得地址;将该地址送往主存得地址寄存器AR,便可从存储器读取下一条指令、
程序计数器得原理图:
4、系统总电路图及原理
系统原理:
该CPU主要由算术逻辑单元ALU,数据暂存寄存器DR1、DR2,数据寄存器R0~R2,程序计数器PC,地址寄存器AR,程序/数据存储器MEMORAY,指令寄存器IR,微控制器uC,输入单元INPUT与输出单元OUTPUT所组成。
图中虚线框内部分包括运算器、控制器、程序存储器、数据存储器与微程序存储器等,实测时,它们都可以在单片FPGA中实现。
虚线框外部分主要就是输入/输出装置,包括键盘、数码管、LCD显示器等,用于向CPU输入数据,或CPU向外输出数据,以及观察CPU内部工作情况及运算结果。
5、波形仿真
仿真波形图:
分析:
(1)M输出微指令01800,控制台执行P(4),进行“读、写、运行”功能判断、检测到SWA、SWB=11后,进入程序运行RP(11)方式。
(2)执行微地址为23得微指令,M输出微指令为018001,后续微地址uA为01.然后进入程序运行得流程。
(3)执行微地址为01得M微指令008001,执行得操作为PC→AR=00H,PC+1=01H,AR指向RAM存储器地址00H,后续地址uA为02、
(4)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作,取出第一条指令得操作码,经过分支判断P
(1),这就是一条输入指令IN、
(5)执行微地址为10得M微指令00C048,将RAM中得指令00通过内部总线BUS,送指令寄存器IR:
RAM(00H)=00→BUS→IR=00H。
(6)执行微地址为01得M微指令001001,SW_B为高电平,允许SW得数据送往数据总线BUS,由此接收数据56H。
所以R0=56H。
(7)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作:
PC→AR=01H,PC+1=02H,AR指向RAM存储器地址01H,后续微地址uA为02、
(8)执行微地址09得M微指令00C048,取指令,并经过分支判断P
(1),读出地址为01H单元得内容10H,经过BUS送到指令寄存器IR:
RAM(01H)=10H→BUS→IR=10H。
(9)执行微地址为03得M微指令01ED83,进入加法运算微程序、通过间接寻址获得另一个操作数,地址寄存器AR指向取数得间接地址:
PC→AR=02H,PC+1=03H,AR指向RAM得02单元。
(10)执行微地址为04得M微指令00E004,RAM_B为高电平,RAM得(02)单元得内容通过BUS送AR,取数地址(AR)=0AH,RAM(02)=0AH→BUS→AR=0AH。
(11)执行微地址为05得M微指令00B005,RAM_B为高电平,RAM得(0AH)单元得内容34H送到BUS,此时LDDR2为高电平,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:
RAM(0AH)=34H→BUS→DR2=34H。
(12)执行微地址为06得M微指令01A206,将R0得数据送DR1。
R0_B=1,允许R0得内容56H送往BUS,此时LDDR1为高电平,BUS上得数据56H写入ALU得数据缓冲期DR1,执行结果:
(R0)=56H→BUS→DR1=56H、
(13)执行微地址为01得M微指令919A01,完成加法运算:
(DR1)+(DR2)→R0,56H+34H=8AH→R0=8AH。
(14)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作:
PC→AR=03H,PC+1=04H,AR指向RAM存储器地址03H,执行第三条指令,存储STA。
(15)执行微地址12得M微指令00C048,取指令,并经过分支判断P
(1),读出地址为03H单元得内容20H,经过BUS送到指令寄存器IR:
RAM(03H)=20H→BUS→IR=20H。
(16)执行微地址为07得M微指令01ED87,通过间接寻址获得另一个操作数,地址寄存器AR指向取数得间接地址:
PC→AR=04H,PC+1=05H,AR指向RAM得04单元。
(17)执行微地址为15得M微指令00E00D,RAM_B为高电平,RAM得(04)单元得内容通过BUS送AR,取数地址(AR)=0BH,RAM(04)=0BH→BUS→AR=0BH。
(18)执行01微地址为01得M微指令038201,RAM_B为高电平,R0得内容存入RAM(0BH)单元,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:
RAM(0BH)=8AH→BUS→RAM(0BH)=8AH。
(19)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作:
PC→AR=05H,PC+1=06H,AR指向RAM存储器地址05H,执行第四条指令,输出OUT。
(20)执行微地址13得M微指令00C048,取指令,并经过分支判断P
(1),读出地址为05H单元得内容30H,经过BUS送到指令寄存器IR:
RAM(05H)=30H→BUS→IR=30H。
(21)执行微地址为16得M微指令01ED8E,通过间接寻址获得另一个操作数,地址寄存器AR指向取数得间接地址:
PC→AR=06H,PC+1=07H,AR指向RAM得06单元。
(22)执行微地址为17得M微指令00E00F,RAM_B为高电平,RAM得(06)单元得内容通过BUS送AR,取数地址(AR)=0BH,RAM(06)=0BH→BUS→AR=0BH。
(23)执行微地址为25得M微指令00A015,RAM_B为高电平,RAM得(0BH)单元得内容8AH送到BUS,此时LDDR2为高电平,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:
RAM(0BH)=8AH→BUS→DR2=8AH。
(24)执行微地址为01得M微指令010A01,将DR1得数据送输出单元OUT,允许DR1得内容8AH送往BUS, BUS上得数据8AH送输出单元OUT,执行结果:
DR1=8AH→BUS→OUT=8AH。
(25)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作:
PC→AR=07H,PC+1=08H,AR指向RAM存储器地址07H。
(26)执行微地址14得M微指令00C048,取指令,并经过分支判断P
(1),读出地址为07H单元得内容40H,经过BUS送到指令寄存器IR:
RAM(07H)=40H→BUS→IR=40H、
(27)执行微地址为26得M微指令01ED96,进入转移JMP运算微程序。
通过间接寻址获得另一个操作数,地址寄存器AR指向取数得间接地址:
PC→AR=08H,PC+1=09H,AR指向RAM得08单元。
(28)执行微地址为01得M微指令00D181,RAM_B为高电平,RAM得(0AH)单元得内容34H送到BUS,此时LDDR2为高电平,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:
RAM(0AH)=34H→BUS→DR2=34H。
题目:
减法器
实验结论:
本实验系统就是我做过最为庞大得,开始时根本不知道如何下手,完全就是一头雾水,老师讲解后还就是不知道如何着手,还就是慢慢查找资料才略微懂得点头绪、
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- 关 键 词:
- CPU 设计 实现