8位CPU的设计与实现

1、 计算机组成原理 实验题目 位CP得系统设计 学 号 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C得系统设计1、 实验要求与任务完成从指令系统到U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;CU结构设计;规则文件与调试程序设计;CU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、CP得组成结构3、 元器件得选择 1.运算部件(ALU) A181得程序代码:LIBRA

2、RY EEE;US EEE、TD_LGC_164。ALL;US IEEE、TLOGI_UIGND.L;ENTY LU181 S POR( S: IN STDLICVECTR(3 NTO0 ); A :N STD_LOGIC_VCTO(7 OWN 0); B : ISTDOGICVETOR(7DWNO ); F : OUT ST_LOGIC_ECTOR(7 DOWTO 0);COU :U STD_IC_ECTOR(3 DOO0); M :I T_LOGC; CN : IN SD_LOGI; C,Z:OUTST_LOGIC );ENDAU81;ACHICTRE bhav OF AL181 SSIG

3、 A9 :ST_LGIC_VECTOR( DOWNTO 0);SINAL B9 : STDLOGIC_VCTOR(8 OWNT );IGNAL9: STD_LOGICVECO(8 DWNTO0);BGIN = 0 & A; B9 = 0&B; PRCESS(M,C,A9,B) BEGIN ASE S IS WHEN 00 = IF M=0THENF9=A9 +CN ; LSE F9=OT ; E IF; WHEN 001 F M=0 THEN F IF M=0 THENF9=(A9 (OT B9)+C ; ELSE F9=(NOTA9) AND9; EN IF; WN 1 = IFM=0 HE

4、N 9= ”CN ;ELS F9 IM=0 THE 9A9+(A9 OT B9)+C ; ELSE F9=NT(A9 NB9); NDI; WHEN ”011” = I M0 THN9=(A oB9)+(A9 AD NO B)+CN ; F9=NOT 9; EDIF; WHEN0110 = I =0 HEN 9=(- 9) CN ;ELE F99OR B; N IF; WHE ”111= IF M=0 ENF9=(9 (NT B9) CN ;SE 9 IFM=HENF9=+ B9 + CN ; LSE F9=NOT(9 OR 9); E IF; WEN ”010= FM=0 THEN F(A9

5、or(NOT9)+(AAND B9)CN ; L F=9; ED ; HEN 11” = IFM=0TE F9=(A9 AND 9)- C ; ELSE F9=A9 ANB; EN IF; HEN ”1100” = F M=0 H 9=(A9 +9) + CN ; LS F9=; END F; HEN 101”= IF M=0 THEN (A r B)+ A9 + CN ;ES 9=A9 OR ( B9); END F; WHN 10= IFMTHE F9=(A9 or ( B9)+A9) + CN ; LSE FA9OR B9; D IF; WE”111” = I=HE F99 CN ;ES

6、E F9 9= ” ; ENASE; I(A=B) TN=0;END IF;ED ROCSS;=F9( DOWNO0) ; = F9(8) ;OUT=00 WHEN F9()=0ES 001;EDbehav; 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CU 设计中,采用微程序控制方式通

7、过微程序控制器与微指令存储器产生微命令,因此此PU 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,PU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C中,寄存器组由R0、1、R2所组成、 寄存器组得原理图:3、地址寄存器PU 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,PU 先将 得内容送入R,再由AR将指令地址送往存储器、当需要读取或存放数据时

8、,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: 。指令寄存器指令寄存器(R)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(P)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C,使P指向新得指令地址、因此,当现行

9、指令执行完,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CU 主要由算术逻辑单元ALU,数据暂存寄存器R1、DR2,数据寄存器R0R2,程序计数器P,地址寄存器AR,程序/数据存储器MEMORAY,指令寄存器,微控制器uC,输入单元IPUT 与输出单元OUTUT 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FPG 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PU 输入数据,或CU 向外

10、输出数据,以及观察CU 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0180,控制台执行P(4),进行“读、写、运行”功能判断、检测到SWA、SW=后,进入程序运行R(1)方式。(2)执行微地址为得微指令,输出微指令为,后续微地址uA为1.然后进入程序运行得流程。()执行微地址为0得M微指令,执行得操作为A=0,C1=01H,AR指向RA存储器地址00,后续地址uA为、()执行微地址为2得微指令01D82,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)执行微地址为得M微指令0C0,将RAM中得指令0通过内部总线BU

11、S,送指令寄存器R:AM(00H)00BUSI00H。(6)执行微地址为01得M微指令,SW_B为高电平,允许SW得数据送往数据总线US,由此接收数据56H。所以R=56。()执行微地址为02得M微指令0ED82,执行取指令操作:PCAR01H,1=02,AR指向RA存储器地址01,后续微地址uA为2、(8)执行微地址0得M微指令00C4,取指令,并经过分支判断(1),读出地址为1H单元得内容10,经过BUS送到指令寄存器IR:RAM(01)=10HBSR=0H。()执行微地址为03得M微指令01ED8,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R指向取数得间接地址:CAR0

12、H,PC1=03H,A指向RAM得02单元。(10)执行微地址为4得M微指令00E004,AM_B为高电平,RAM得(0)单元得内容通过BS送A,取数地址(R)=0A,RM(2)=AHBUSR=0H。(1)执行微地址为得M微指令005,RM_B为高电平,RAM得(0A)单元得内容34送到BU,此时LDR2为高电平,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:RA(0AH)34BUSD=34H。(12)执行微地址为06得M微指令0A206,将0得数据送DR1。R0_B=1,允许R0得内容5H送往S,此时LDR1为高电平,S上得数据56H写入LU得数据缓冲期DR,执行结果:(R0)=5HBUS1=56

13、H、(3)执行微地址为0得M微指令101,完成加法运算:(DR1)(DR2)R0,56+34H=8AHR=8A。(1)执行微地址为02得微指令0ED82,执行取指令操作:CAR=03H,PC04,A指向RAM存储器地址0,执行第三条指令,存储STA。(15)执行微地址2得微指令0C048,取指令,并经过分支判断P(1),读出地址为0H单元得内容H,经过BUS送到指令寄存器IR:RAM(0)=20HBSIR=20H。(6)执行微地址为7得微指令01D8,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:PCAR=04H,PC1=05,AR指向A得4单元。(1)执行微地址为15得M微

14、指令000D,RAM为高电平,得(4)单元得内容通过BUS送AR,取数地址(AR)=BH,RAM(0)=0BBUSR=0BH。(18)执行01微地址为01得M微指令,A_B为高电平,R0得内容存入AM(0B)单元,BUS上得数据就送给了DR2,执行结果:R(0BH)=8AHBSRM(0BH)=8H。(1)执行微地址为02得M微指令01ED82,执行取指令操作:AR=5,P+06H,AR指向RAM存储器地址5H,执行第四条指令,输出OUT。(20)执行微地址13得微指令C048,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:RAM(05H)0HBUS

15、IR=3。(21)执行微地址为16得M微指令01D8,通过间接寻址获得另一个操作数,地址寄存器R指向取数得间接地址:PAR=06H,P+1=H,AR指向RAM得06单元。(22)执行微地址为7得M微指令00E00F,RA_B为高电平,RAM得(06)单元得内容通过BUS送AR,取数地址(AR)BH,RAM(6)0BBUSAR=0BH。()执行微地址为25得微指令00A05,RAMB为高电平,RA得(0BH)单元得内容8AH送到BUS,此时DDR2为高电平,S上得数据就送给了DR2,执行结果:RA(B)=8AHBSR=8AH。(24) 执行微地址为0得M微指令010A01,将R1得数据送输出单元OUT,允许1得内容8A送往BUS,BUS上得数据8H送输出单元OUT,执行结果:DR1=8AHBSOT=8AH。(5)执行微地址为02得M微指令01ED8,执行取指令操作:CR=07H,P+1=8H,AR指向R存储器地址07H。(26)执行微地址4得微指令00C48,取指令,并经过分支判断(1),读出地址为7H单元得内容40H,经过BU送到指令寄存器IR:RAM(07H)4BUIR=4、()执行微地址为2得M微指令01ED9,进入转移JMP运