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得系统设计一、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得组成结构三、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;ENTＩＴYＡLU181ＩSPORＴ(S:INSTD＿LＯＧIC＿VECTＯR(3ＤＯＷNTO0);A:ＩNSTD_LOGIC_VＥCTOＲ(7ＤOWNＴＯ0);B:IＮSTD＿ＬOGIC＿VEＣTOR(7DＯWNＴO０);F:OUTSTＤ_LOGIC_ＶECTOR(7DOWＮTO0);ﻩCOUＴ:ＯUＴSTD_ＬＯＧIC_ＶECTOR(3DOＷＮＴO0);M:IＮＳTＤ_LOGＩC;CN:INSＴD_LOGIＣ;CＯ,ＦZ:OUTSTＤ_LOGIC);ENDAＬU１81;AＲCHIＴＥCTＵREbｅhavOFALＵ181ＩSSIGＮＡＬA9:STＤ_LＯGIC_VECTOR(８DOWNTO0);SIＧNALB9:STD＿LOGIC_VＥCTOR(8ＤOWNTＯ０);ＳIGNALＦ9:STD_LOGIC＿VECＴOＲ(8DＯWNTO0);BＥGINＡ９=＇0＇&A;B9＜=’0’&B;PRＯCESS(M,CＮ,A9,B９)BEGINＣASESISWHEN0００0=〉IFM=＇0’THENF9＜=A9+CN;ＥLSEF9=ＮOTＡ９;EＮＤIF;WHEN00０1＝＞ＩFM='0’THENF９=(A9oｒB９)+CN;ELSEF９〈=NOＴ(A9ORB9);ENDＩF;ＷHEN”0010＂=IFM=’0’THENF9〈=(A9ｏｒ(ＮOTB9))+CＮ;ELSEF9＜=(NOTA9)ANDＢ9;ENＤIF;WＨＥN００1１＂=IFM='0’ＴHENＦ9=”000000000—CN;ELSＥF9＝00000000０”;ENDIF;WHEN0100”＝IＦM='0＇THEＮＦ9＝A9+(A9ＡＮＤＮOTB9)+CＮ;ELSEF9〈=NＯT(A9ＡNＤB9);ＥNDIＦ;WHEN”01０1”=＞IＦM＝＇0'THＥNＦ9=(A９oｒB9)+(A9AＮDNOＴB９)+CN;ＥＬＳＥF9=NOTＢ9;EＮDIF;WHEN＂0110=＞IＦＭ=’0’ＴHENＦ9〈=(Ａ９-Ｂ9)－CN;ELＳEF9〈＝Ａ9ＸORB９;ＥNＤIF;WHEＮ”０111=＞IFM='0'ＴＨENF9〈=(Ａ9ｏｒ(NＯTB9))－CN;ＥＬSEＦ9=Ａ9and(ＮOTB9);EＮDIF;WHEN＂１000=＞IＦM='0＇THENF9＜=Ａ９+(A９ＡNDB9)+CN;ELＳEF9〈＝(NOＴA９)andB９;ENDIＦ;WHEN１0０1”=IFM=’０’ＴHENF9〈=Ａ９+B9+CN;ＥLSEF9=NOT(Ａ9ＸORＢ9);EＮＤIF;WＨEN”１010=＞ＩFM=’0＇THENF９〈＝(A9or(NOTＢ9))+(A９ANDB9)＋CN;ＥLＳＥF９=Ｂ9;EＮDＩＦ;ＷHEN１０11”=〉IFM='0'TＨEＮF9=(A9ANDＢ9)-CＮ;ELSEF9=A9ANＤB９;ENＤIF;ＷHEN”1100”=〉ＩFM=＇0＇ＴHＥＮＦ9=(A9+Ａ9)+CN;ＥLSＥF9〈=000000001;ENDＩF;ＷHEN＂１101”=〉IFM='0'THENＦ９〈＝(A９ｏrB９)+A9+CN;EＬSＥＦ9〈=A9OR(ＮＯＴB9);ENDＩF;WHＥN1１１0=＞IFM＝'０＇THEＮF9＜=((A9or(ＮＯＴB9))+A9)+CN;ＥLSEF９〈＝A9ORB9;ＥＮDIF;WＨEＮ”1１11”=〉IＦＭ=’０'ＴHEＮF9＝Ａ9—CN;EＬSEF9=Ａ9;ENDIＦ;WHENOTHＥRS=Ｆ9＜=”０000０００00;ENＤＣASE;IＦ(A９=B９)TＨＥNＦＺ=’0';ENDIF;ﻩEＮDＰROCＥSS;Ｆ＜=F9(７DOWNＴO0);ＣＯ=F9(8);ＣOUT=＂０0０0＂WHENF9(８)=’0＇EＬSＥ0０01;EＮDbehav;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CISCCPU、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: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。五、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2