计算机组成原理CPU 实验题目 8位的系统设计1115106046 号学魏忠淋姓名B 11电子班班级凌朝东指导老师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（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 ISPORT (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 ISSIGNAL A9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL B9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL F9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);BEGINB9 <= '0' & B ; A9 <= '0' & A ;PROCESS(M,CN,A9,B9)BEGINCASE S ISWHEN ぜ?尰=> IF M='0' THEN F9<=A9 + CN ; ELSE F9<=NOT A9; END IF;WHEN IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + CN ; ELSEF9<=NOT(A9 OR B9); END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9))+ CN ; ELSEF9<=(NOT A9) AND B9; END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<= ; ELSEF9<= END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=A9+(A9 AND NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=NOT (A9 AND B9); END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9)+(A9 AND NOT B9)+CN ; ELSE F9<=NOT B9; END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 - B9) - CN ; ELSE F9<=A9 XOR B9; END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9)) - CN ; ELSE F9<=A9 and (NOT B9); END IF;WHEN @0 => IF M='0' THEN F9<=A9 + (A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=(NOT A9)and B9; END IF;WHEN @1 => IF M='0' THEN F9<=A9 + B9 + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 XOR B9); END IF;WHEN A0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or(NOT B9))+(A9 AND B9)+CN ;ELSE F9<=B9; END IF;WHEN A1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 AND B9)- CN ;ELSE F9<=A9 AND B9; END IF;WHEN H0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 + A9) + CN ; ELSEF9<= END IF;WHEN H1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + A9 + CN ; ELSEF9<=A9 OR (NOT B9); END IF;WHEN I0 => IF M='0' THEN F9<=((A9 or (NOT B9)) +A9) + CN ; ELSEF9<=A9 OR B9; END IF;WHEN I1 => IF M='0' THEN F9<=A9 - CN ; ELSEF9<=A9 ; END IF;WHEN OTHERS => F9<=END CASE;IF(A9=B9) THEN FZ<='0';END IF;END PROCESS;F<= F9(7 DOWNTO 0) ; CO <= F9(8) ;COUT<=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（AR）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（IR）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（PC）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 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：（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。

（3）执行微地址为01的M微指令008001，执行的操作为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。

（5）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（00H）=00→BUS→IR=00H。

（6）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。

（7）执行微地址为02的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的M微指令00C048，取指令，并经过分支判断P（1），读出地址为01H单元的内容10H，经过BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H）=10H 。

IR=10H→BUS→．（9）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：PC→AR=02H，PC+1=03H，AR指向RAM的02单元。

（10）执行微地址为04的M微指令00E004，RAM_B为高电平，RAM的（02）单元的内容通过BUS送AR，取数地址（AR）=0AH，RAM(02)=0AH→BUS→AR=0AH。