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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的系统设计 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的系统设计 一、实验要求与任务 完成从指令系统到CPU的设计，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的组成结构 三、元器件的选择 1.运算部件(ALU) ALU181的程序代码： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY ALU181 IS PORT ( S : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 ); A : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); B : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); F : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); COUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); M : IN STD_LOGIC; CN : IN STD_LOGIC; CO,FZ: OUT STD_LOGIC ); END ALU181; ARCHITECTURE behav OF ALU181 IS SIGNAL A9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); SIGNAL B9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); SIGNAL F9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); BEGIN A9 <= '0' & A ; B9 <= '0' & B ; PROCESS(M,CN,A9,B9) BEGIN CASE S IS WHEN "0000" => IF M='0' THEN F9<=A9 + CN ; ELSE F9<=NOT A9; END IF; WHEN "0001" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 OR B9); END IF; WHEN "0010" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=(NOT A9) AND B9; END IF; WHEN "0011" => IF M='0' THEN F9<= "000000000" - CN ; ELSE F9<="000000000" END IF; WHEN "0100" => IF M='0' THEN F9<=A9+(A9 AND NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=NOT (A9 AND B9); END IF; WHEN "0101" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9)+(A9 AND NOT B9)+CN ; ELSE F9<=NOT B9; END IF; WHEN "0110" => IF M='0' THEN F9<=(A9 - B9) - CN ; ELSE F9<=A9 XOR B9; END IF; WHEN "0111" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9) - CN ; ELSE F9<=A9 and (NOT B9); END IF; WHEN "1000" => IF M='0' THEN F9<=A9 + (A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=(NOT A9)and B9; END IF; WHEN "1001" => IF M='0' THEN F9<=A9 + B9 + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 XOR B9); END IF; WHEN "1010" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or(NOT B9)+(A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=B9; END IF; WHEN "1011" => IF M='0' THEN F9<=(A9 AND B9)- CN ; ELSE F9<=A9 AND B9; END IF; WHEN "1100" => IF M='0' THEN F9<=(A9 + A9) + CN ; ELSE F9<= "000000001" END IF; WHEN "1101" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + A9 + CN ; ELSE F9<=A9 OR (NOT B9); END IF; WHEN "1110" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9) +A9) + CN ; ELSE F9<=A9 OR B9; END IF; WHEN "1111" => IF M='0' THEN F9<=A9 - CN ; ELSE F9<=A9 ; END IF; WHEN OTHERS => F9<= "000000000" ; END CASE; IF(A9=B9) THEN FZ<='0'END IF; END PROCESS; F<= F9(7 DOWNTO 0) ; CO <= F9(8) ; COUT<="0000" WHEN F9(8)='0' ELSE "0001" END behav; ALU的原理图： 2.微控制器 实现信息传送要靠微命令的控制，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，对指令功能所要求的数据传送进行控制，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，也可以由专门的存储逻辑组成。产生微命令的方式可分为组合逻辑控制方式和微程序控制方式两种。在本章所介绍的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和微指令存储器产生微命令，因此此CPU 属于复杂指令CISC CPU。 微控制器的原理图： 3.寄存器组 计算机工作时，CPU 需要处理大量的控制信息和数据信息。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。 寄存器组的原理图： 3.地址寄存器 CPU 访问存储器，首先要找到需要访问的存储单元，因此设置地址寄存器来存放被访单元的地址。当需要读取指令时，CPU 先将PC 的内容送入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，也要先将该数据的有效地址送入AR，再对存储器进行读写操作。 地址寄存器的原理图： 4.指令寄存器 指令寄存器用来存放当前正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信息等，是产生微命令的主要逻辑依据。 指令寄存器的原理图： 5.程序计数器 程序计数器也称指令指针，用来指示指令在存储器中的存放位置。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，指向下一条指令的地址。增量值取决于现行指令所占的存储单元数。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 指向新的指令地址。因此，当现行指令执行完，PC 中存放的总是后续指令的地址；将该地址送往主存的地址寄存器AR，便可从存储器读取下一条指令。 程序计数器的原理图： 四、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R0R2，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 和输出单元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、数据存储器和微程序存储器等，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。 五、波形仿真 仿真波形图： 分析： M输出微指令01800，控制台执行P,进行“读、写、运行”功能判断。检测到SWA、SWB=11后，进入程序运行RP方式。 执行微地址为23的微指令，M输出微指令为018001，后续微地址uA为01.然后进入程序运行的流程。 执行微地址为01的M微指令008001，执行的操作为PCAR=00H，PC+1=01H，AR指向RAM存储器地址00H，后续地址uA为02. 执行微地址为02的M微指令01ED82，执行取指令操作，取出第一条指令的操作码，经过分支判断P(1)，这是一条输入指令IN。 执行微地址为10的M微指令00C048，将RAM中的指令00通过内部总线BUS，送指令寄存器IR：RAM=00BUSIR=00H。 执行微地址为01的M微指令001001，SW_B为高电平，允许SW的数据送往数据总线BUS，由此接收数据56H。所以R0=56H。 执行微地址为02的M微指令01ED82，执行取指令操作：PCAR=01H，PC+1=02H，AR指向RAM存储器地址01H，后续微地址uA为02。 执行微地址09的M微指令00C048，取指令，并经过分支判断P，读出地址为01H单元的内容10H，经过BUS送到指令寄存器IR：RAM=10HBUSIR=10H。 执行微地址为03的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指向取数的间接地址：PCAR=02H，PC+1=03H，AR指向RAM的02单元。 执行微地址为04的M微指令00E004，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容通过BUS送AR，取数地址=0AH，RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。 执行微地址为05的M微指令00B005，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容34H送到BUS，此时LDDR2为高电平，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM=34HBUSDR2=34H。 执行微地址为06的M微指令01A206，将R0的数据送DR1.R0_B=1,允许R0的内容56H送往BUS，此时LDDR1为高电平，BUS上的数据56H写入ALU的数据缓冲期DR1，执行结果：=56HBUSDR1=56H. 执行微地址为01的M微指令919A01，完成加法运算：+R0，56H+34H=8AHR0=8AH。 执行微地址为02的M微指令01ED82，执行取指令操作：PCAR=03H，PC+1=04H，AR指向RAM存储器地址03H，执行第三条指令，存储STA。 执行微地址12的M微指令00C048，取指令，并经过分支判断P，读出地址为03H单元的内容20H，经过BUS送到指令寄存器IR：RAM=20HBUSIR=20H。 执行微地址为07的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指向取数的间接地址：PCAR=04H，PC+1=05H，AR指向RAM的04单元。 执行微地址为15的M微指令00E00D，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容通过BUS送AR，取数地址=0BH，RAM(04)=0BHBUSAR=0BH。 执行01微地址为01的M微指令038201，RAM_B为高电平，R0的内容存入RAM单元，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM=8AHBUSRAM=8AH。 执行微地址为02的M微指令01ED82，执行取指令操作：PCAR=05H，PC+1=06H，AR指向RAM存储器地址05H，执行第四条指令，输出OUT。 执行微地址13的M微指令00C048，取指令，并经过分支判断P，读出地址为05H单元的内容30H，经过BUS送到指令寄存器IR：RAM=30HBUSIR=30H。 执行微地址为16的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指向取数的间接地址：PCAR=06H，PC+1=07H，AR指向RAM的06单元。 执行微地址为17的M微指令00E00F，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容通过BUS送AR，取数地址=0BH，RAM(06)=0BHBUSAR=0BH。 执行微地址为25的M微指令00A015，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容8AH送到BUS，此时LDDR2为高电平，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM=8AHBUSDR2=8AH。 (24) 执行微地址为01的M微指令010A01，将DR1的数据送输出单元OUT，允许DR1的内容8AH送往BUS， BUS上的数据8AH送输出单元OUT，执行结果：DR1=8AHBUSOUT=8AH。 执行微地址为02的M微指令01ED82，执行取指令操作：PCAR=07H，PC+1=08H，AR指向RAM存储器地址07H。 执行微地址14的M微指令00C048，取指令，并经过分支判断P，读出地址为07H单元的内容40H，经过BUS送到指令寄存器IR：RAM=40HBUSIR=40H。 执行微地址为26的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指向取数的间接地址：PCAR=08H，PC+1=09H，AR指向RAM的08单元。 执行微地址为01的M微指令00D181，RAM_B为高电平，RAM的单元的内容34H送到BUS，此时LDDR2为高电平，BUS上的数据就送给了DR2，执行结果：RAM=34HBUSDR2=34H。 题目：减法器实验结论：本实验系统是我做过最为庞大的，开始时根本不知道如何下手，完全是一头雾水，老师讲解后还是不知道如何着手，还是慢慢查找资料才略微懂得点头绪。