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:LIBRARY ＩEEE;USＥＩEEE、ＳTD_LＯGＩC_1１64。
ALL;USＥIEEE、ＳTＤ＿LOGIＣ_UＮＳIGNＥD.ＡLＬ;ENTＩＴY ＡLU181 ＩSPORＴ(S: IN STD＿LＯＧIC＿VECTＯR(3 ＤＯＷNTO0 );A:ＩN STD_LOGIC_VＥCTOＲ(7 ＤOWNＴＯ0);B: IＮSTD＿ＬOGIC＿VEＣTOR(7DＯWNＴO ０);F : OUT STＤ_LOGIC_ＶECTOR(7 DOWＮTO 0);ﻩCOUＴ:ＯUＴSTD_ＬＯＧIC_ＶECTOR(3 DOＷＮＴO0);M :IＮＳTＤ_LOGＩC;CN : IN SＴD_LOGIＣ;CＯ,ＦZ:OUT STＤ_LOGIC );END AＬU１81;AＲCHIＴＥCTＵRE bｅhav OF ALＵ181 ＩSSIGＮＡＬA9 :STＤ_LＯGIC_VECTOR(８DOWNTO 0);SIＧNAL B9 : STD＿LOGIC_VＥCTOR(8 ＤOWNTＯ０);ＳIGNALＦ9: STD_LOGIC＿VECＴOＲ(8 DＯWNTO0);BＥGINＡ９<= ＇0＇& A; B9 ＜= ’0’&B;PRＯCESS(M,CＮ,A9,B９)BEGINＣASE S ISWHEN "0００0" =〉IF M=＇0’THEN F9＜=A9 + CN ; ＥLSE F9<=ＮOT Ａ９; E ＮＤIF;WHEN "00０1" ＝＞ＩF M='0’THEN F９<=(A9 oｒB９)+ CN ;ELSE F９〈=NOＴ(A9OR B9);END ＩF;ＷHEN ”0010＂=> IF M=’0’THEN F9〈=(A9 ｏｒ(ＮOT B9))+C Ｎ; ELSE F9＜=(NOT A9) ANDＢ9; ENＤIF;WＨＥN "００1１＂=> IF M='0’ＴHEN Ｆ9<= ”000000000"—CN ;ELSＥF9<＝"00000000０”;END IF;WHEN"0100”＝> IＦM='0＇THEＮＦ9<＝A9+(A9 ＡＮＤＮOT B9)+ CＮ; ELSE F9〈=NＯT(A9 ＡNＤB9);ＥND IＦ;WHEN ”01０1”=＞IＦM＝＇0' THＥNＦ9<=(A９oｒB9)+(A9 AＮD NOＴB９)+CN ;ＥＬＳＥF9<=NOT Ｂ9; EＮD IF;WHEN＂0110" =＞IＦＭ=’0’ＴHEN Ｆ9〈=(Ａ９- Ｂ9) －CN ;ELＳE F9〈＝Ａ9ＸOR B９; ＥNＤIF;WHEＮ”０111"=＞IF M='0' ＴＨEN F9〈=(Ａ9 ｏｒ(NＯT B9)) －CN ;ＥＬSE Ｆ9<=Ａ9 and (ＮOT B9); EＮD IF;WHEN＂１000" =＞IＦM='0＇THEN F9＜=Ａ９+ (A９ＡND B9)+CN ; ELＳE F9〈＝(NOＴA９)and B９; END IＦ;WHEN "１0０1”=> IF M=’０’ＴHEN F9〈=Ａ９+ B9 + CN ; ＥLSE F9<=NOT(Ａ9 ＸOR Ｂ9); EＮＤIF;WＨEN ”１010"=＞ＩF M=’0＇THEN F９〈＝(A9or(NOTＢ9))+(A ９AND B9)＋CN ; ＥLＳＥF９<=Ｂ9;EＮD ＩＦ;ＷHEN "１０11”=〉IF M='0'TＨEＮF9<=(A9 AND Ｂ9)- C Ｎ; ELSE F9<=A9 ANＤB９; ENＤIF;ＷHEN ”1100”=〉ＩF M=＇0＇ＴHＥＮＦ9<=(A9 +Ａ9) + CN; ＥLSＥF9〈="000000001"; END ＩF;ＷHEN ＂１101”=〉IF M='0' THEN Ｆ９〈＝(A９ｏr B９)+ A9 + CN;EＬSＥＦ9〈=A9 OR (ＮＯＴB9); END ＩF;WHＥN "1１１0"=＞IF M＝'０＇THEＮF9＜=((A9 or (ＮＯＴB9)) +A9) + CN; ＥLSE F９〈＝A9OR B9;ＥＮD IF;WＨEＮ”1１11”=〉IＦＭ=’０'ＴHEＮF9<＝Ａ9 —CN ;EＬSE F9<=Ａ9 ; END IＦ;WHEN OTHＥRS=> Ｆ9＜= ”０000０００00" ;ENＤＣASE;IＦ(A９=B９) TＨＥNＦＺ<=’0';END IF;ﻩEＮD ＰROCＥSS;Ｆ＜=F9(７DOWNＴO0) ;ＣＯ<= F9(8) ;ＣOUT<=＂０0０0＂WHEN F9(８)=’0＇EＬSＥ"0０01";EＮD behav;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CISC CPU、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→B ＵS→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(0A Ｈ)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。