计算机组成原理课程设计报告16位模型机的设计

1石家庄经济学院计算机组成原理课程设计报告计算数据块中所有数据的累加和并存储到内存单元中题目16位模型机的设计姓名学号4114170801班号一班指导老师成绩2014年1月2目录一、引言.....................................................................................................31.1设计目的........................................................................................31.2设计任务........................................................................................3二、详细设计及实现..............................................................................42.1拟定指令系统...............................................................................42.2指令格式........................................................................................52.3寻址方式........................................................................................5三、16位CPU的模型..............................................................................73.1各功能部件的VHDL设计........................................................93.216位模型机的设计与实现.........................................................22四、总结...................................................................................................27五、参考文献：......................................................................................27六、代码.................................................................................................283一、引言1.1设计目的为掌握并巩固本学期所学习的计算机组成原理知识，设计本次试验。运用整合所学的相关知识，一步步设计构造一台基本的模型计算机，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。1.2设计任务本机功能：计算数据块中所有数据的累加和并存储到内存单元中。汇编代码如下：START：MOVSI,OFFSETSRC1;源操作数地址送SIMOVDI，OFFSETDXT；目的操作数地址送DIMOVBX，OFFSETSRC2；结束地址送BXMOVBL0；设置BL中初值为0NEXT：MOVAL，[SI]；取数ADDBL,AL;数据相加MOV[DI]，AL；存数CMPSI,BX;JESTART；如果SI=BX，则转向STARTINCSI；修改源地址JMPNEXT；转向NEXT4二、详细设计及实现2.1拟定指令系统分析：1)依据汇编语言程序得出部件间的数据流的方向为立即数→寄存器寄存器↔内存内存操作数采用寄存器间址寻址方式源与目的寄存器内容比较，如果源等于目的转移，转向地址在指令中提供寄存器加1指令无条件转移指令，转向地址在指令中提供。2)指令类型（指令中的立即数为一个字即16位）立即数→寄存器需要在指令中指出寄存器及立即数如：LOADIR0，10H，此指令为双字指令内存操作数→寄存器需要在指令中指出间址寄存器及目的寄存器如：LOADR3，[R1];指令为单字指令寄存器→内存需要指令中指出源寄存器及间址寄存器如：STORE[R2]，R7;指令为单字指令寄存器内容比较产生转移的指令需要指令中指出源、目的寄存器以及转向的地址如：BRANCHEQI0000H;指令为单字指令寄存器加1指令指令中指出寄存器如：INCR1，指令为单字指令无条件转移指令指令中提供转向地址如：BRANCHI0008H;指令为单字指令52.2指令格式1)单字指令格式单指令但操作数：INCBRANCHI单指令双操作数：movloadstoreLOADI2)双字指令格式双字三操作数：BRANCHEQIBRANCHGTI2.3寻址方式寻址方式含义立即数寻址指令格式中源操作数为立即数寄存器间址寻址方式寄存器中操作数的地址直接寻址主存中为操作数操作码指令功能00001LOAD将寄存器间址的存储单元内容装载到寄存器00010STORE将寄存器的数据存入到寄存器间址的存储单元00011MOV将源寄存器内容传送到目的寄存器00100LOADI将立即数装入到寄存器00101BRANCHI无条件转移到由立即数指定的地址00110BRANCHEQI如果源寄存器内容等于目的寄存器的内容，则转移到由立即数指定的地址00111INC寄存器内容加1指令01000ADD数据相加6依据以上设计的指令系统，将主存中数据累加并存储到内存单元中的程序如下：地址机器码指令功能说明0000H0001H2001H0010HLOADIR1，0010H源操作数地址送R10002H0003H2002H0030HLOADIR2，0030H目的操作数地址送R20004H0005H2006H0016HLOADIR6，0016H结束地址送R60006H0007H2007H0000HLOADR7，0R7内放入0初始化最小值0008H080BHLOADR3，[R1]取数0009H401FHADDR7,R3相加000AH103AHSTORE[R2],R7存数000BH000CH300EH0000HBRANCHEQI0000H如果R6内容等于R1的内容，则转向0000H000DH3031HINCR1修改源地址000EH000FH2800H0008HBRANCHI0008H无条件转移到由立即数指定的地址存储器初始化文件memdata.mif的内容：7三、16位CPU的模型图1是采用单总线结构的16位CPU结构图，包含了基本的功能模块，由寄存器阵列构成的8个16位寄存器Reg0----Reg7；工作寄存器OpReg；算术逻辑运算部件ALU；移位器Shifter；输出寄存器OutReg；比较器Comp；指令寄存器InstrReg；程序计数器ProgCnt；地址寄存器AddrReg。所有功能模块共用16位的三态数据总线进行信息的传送。控制器模块由状态机实现，控制器依据指令、数据通路通过控制线向各功能模块发出控制命令。由寄存器阵列构成的8个16位寄存器Reg0----Reg7的优点是节省资源、使用方便。它们共用一个三态开关，由控制器选择与数据总线的连接。工作寄存器OpReg可为ALU、比较器Comp提供一个操作数，而ALU、比较器的另一操作数直接来自数据总线。将ALU、移位器Shifter、输出寄存器OutReg串接起来，由控制器统一控制来共同完成一些复杂的操作，由输出寄存器OutReg存储结果，输出寄存器OutReg向总线的输出端含有三态开关。比较器Comp由控制器直接控制，比较的结果进入控制器。8地址寄存器AddrReg提供要访问的主存单元的地址，本设计中将程序和数据放在同一存储器中。程序计数器ProgCnt，不具备清零和+1的功能，存放CPU要执行的下一条指令的地址。指令寄存器InstrReg存放CPU正在执行的指令。工作寄存器OpReg，输出寄存器OutReg，指令寄存器InstrReg，程序计数器ProgCnt，地址寄存器AddrReg，均为最基本的寄存器。为了验证CPU的功能，增加存储器，存储器中存入完成数据块传送所需的程序和数据。系统中所有向数据总线输出数据的模块，其输出口必须使用三态控制器。模型机的实际电路如图2所示：图2顶层实体模拟图93.1各功能部件的VHDL设计程序包：说明数据类型、运算器的功能、移位寄存器的操作、比较器的比较类型和用于CPU控制的状态类型。运算器的设计功能：Sel输入操作说明0000C=A通过PASS0001C=AANDB与0010C=AORB或0011C=NOTA非0100C=AXORB异或0101C=A+B加法0110C=A-B减法0111C=A+1加11000C=A-1减11001C=0清零说明：a[15..0]来自于总线，b[15..0]来自于工作寄存器OpReg，c[15..0]输出送至移位器。sel[3..0]来自于控制器发出的控制信号aluSel[3..0]，选择ALU的操作。a[15..0]b[15..0]sel[3..0]c[15..0]aluinst10运算器功能仿真波形图如图3所示：仿真结果说明：当sel为0000时，进行直传的操作。通过pass，则c=a，为1000。当sel为0001时，进行与的操作。a=1000,b=1234，与之后c为1000。当sel为0010时，进行或的操作。a=1000,b=1234，c为1234。当sel为0011时，进行非的操作。a=1000,a为EFFF。当sel为0100时，进行异或的操作。axorb,c为0234。当sel为0101时，进行加法的操作。a=1000,c为2234。当sel为0110时，进行减法的操作。a=1000,c为FDCC。当sel为0111时，进行加1的操作。a=1000,c为1001。当sel为1000时，进行减1的操作。a=1000,c为0FFF。当sel为1001时，进行清0操作，全部置0.当sel为1010时，为类型其他，全部输出0.图3运算器功能仿真波形图11比较器的设计功能：比较器功能仿真波形图如图4所示：仿真结果说明：sel为000时，进行比较是否相等的操作，1000不等于1234,compout=0sel为001时，进行比较是否不等于的操作，1000不等于1234,compout=1sel为010时，进行比较是否大于的操作，10001234,compout=0t_comp比较类型操作说明000Eq(等于)若a=b,compout=1001Neq(不等于)若ab,compout=1010Gt（大于）若ab,compout=1011gte（大于等于）若a=b,compout=1100It（小于）若ab,compout=1101Ite（小于等于）若a=b,compout=1其他compout=0图4比较器功能仿真波形图a[15..0]b[15..0]sel[3..0]compoutcompinst112sel为011时，进行比较是否大于等于的操作，10001234,compout=0sel为100时，进行比较是否小于的操作，10001234,compout=1sel为101时，进行比较是否小于等于的操作，10001234,compout=1sel为其他时，compout输出0.移位器的设计功能：t_shift移位类型000直通001无符号数左移010无符号数右移011循环左移100循环右移其他输出0移位器的功