8位CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 計(jì)算機(jī)組成原理 實(shí)驗(yàn)題目 8位CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) 1115106046 姓 名 魏忠淋 班 級(jí) 11電子B 班 指導(dǎo)老師 凌朝東 華僑大學(xué)電子工程系8位CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 實(shí)驗(yàn)要求與任務(wù)完成從指令系統(tǒng)到CPU的設(shè)計(jì)，編寫測(cè)試程序，通過運(yùn)行測(cè)試程序?qū)PU設(shè)計(jì)進(jìn)行正確性評(píng)定。具體內(nèi)容包括：典型指令系統(tǒng)（包括運(yùn)算類、轉(zhuǎn)移類、訪存類）設(shè)計(jì)；CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；規(guī)則文件與調(diào)試程序設(shè)計(jì)；CPU調(diào)試及測(cè)試程序運(yùn)行。 1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)能實(shí)現(xiàn)加減法、左右移位、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存取、有無(wú)條件跳轉(zhuǎn)、內(nèi)存訪問等指令； 1.2設(shè)計(jì)要求 畫出電路原理圖、仿真波形圖；二、CPU的組成結(jié)構(gòu)3、 元器件的選擇 1.運(yùn)算部件

2、(ALU) ALU181的程序代碼：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ALU181 IS PORT ( 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

3、 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);BEGIN A9 <= '0' & A ; B9 <= '0' & B ; PR

4、OCESS(M,CN,A9,B9) BEGIN CASE S IS WHEN "0000" => IF M='0' THEN F9<=A9 + CN ; ELSE F9<=NOT A9; END IF; WHEN "0001" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 OR B9); END IF; WHEN "0010" => IF M='0' THEN F9<=(A9

5、or (NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=(NOT A9) AND B9; END IF; WHEN "0011" => IF M='0' THEN F9<= "000000000" - CN ; ELSE F9<="000000000" END IF; WHEN "0100" => IF M='0' THEN F9<=A9+(A9 AND NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=NOT (A9 AND B9); END I

6、F; WHEN "0101" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9)+(A9 AND NOT B9)+CN ; ELSE F9<=NOT B9; END IF; WHEN "0110" => IF M='0' THEN F9<=(A9 - B9) - CN ; ELSE F9<=A9 XOR B9; END IF; WHEN "0111" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9) -

7、CN ; ELSE F9<=A9 and (NOT B9); END IF; WHEN "1000" => IF M='0' THEN F9<=A9 + (A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=(NOT A9)and B9; END IF; WHEN "1001" => IF M='0' THEN F9<=A9 + B9 + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 XOR B9); END IF; WHEN "1010" => IF M=&#

8、39;0' THEN F9<=(A9 or(NOT B9)+(A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=B9; END IF; WHEN "1011" => IF M='0' THEN F9<=(A9 AND B9)- CN ; ELSE F9<=A9 AND B9; END IF; WHEN "1100" => IF M='0' THEN F9<=(A9 + A9) + CN ; ELSE F9<= "000000001" END IF;

9、 WHEN "1101" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + A9 + CN ; ELSE F9<=A9 OR (NOT B9); END IF; WHEN "1110" => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9) +A9) + CN ; ELSE F9<=A9 OR B9; END IF; WHEN "1111" => IF M='0' THEN F9<=A9 - CN ; E

10、LSE F9<=A9 ; END IF; WHEN OTHERS => F9<= "000000000" ; END CASE; IF(A9=B9) THEN FZ<='0'END IF;END PROCESS; F<= F9(7 DOWNTO 0) ; CO <= F9(8) ; COUT<="0000" WHEN F9(8)='0' ELSE "0001"END behav; ALU的原理圖： 2.微控制器實(shí)現(xiàn)信息傳送要靠微命令的控制，因此在CPU 中設(shè)置微

11、命令產(chǎn)生部件，根據(jù)控制信息產(chǎn)生微命令序列，對(duì)指令功能所要求的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行控制，同時(shí)在數(shù)據(jù)傳送至運(yùn)算部件時(shí)控制完成運(yùn)算處理。微命令產(chǎn)生部件可由若干組合邏輯電路組成，也可以由專門的存儲(chǔ)邏輯組成。產(chǎn)生微命令的方式可分為組合邏輯控制方式和微程序控制方式兩種。在本章所介紹的8 位模型CPU 設(shè)計(jì)中，采用微程序控制方式通過微程序控制器和微指令存儲(chǔ)器產(chǎn)生微命令，因此此CPU 屬于復(fù)雜指令CISC CPU。 微控制器的原理圖： 3.寄存器組計(jì)算機(jī)工作時(shí)，CPU 需要處理大量的控制信息和數(shù)據(jù)信息。例如對(duì)指令信息進(jìn)行譯碼，以便產(chǎn)生相應(yīng)控制命令對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算加工，并且根據(jù)運(yùn)算結(jié)果決定后續(xù)操作等。因此，在

12、CPU 中需要設(shè)置若干寄存器，暫時(shí)存放這些信息。在模型CPU中，寄存器組由R0、R1、R2所組成。 寄存器組的原理圖：3.地址寄存器CPU 訪問存儲(chǔ)器，首先要找到需要訪問的存儲(chǔ)單元，因此設(shè)置地址寄存器（AR）來存放被訪單元的地址。當(dāng)需要讀取指令時(shí)，CPU 先將PC 的內(nèi)容送入AR，再由AR將指令地址送往存儲(chǔ)器。當(dāng)需要讀取或存放數(shù)據(jù)時(shí)，也要先將該數(shù)據(jù)的有效地址送入AR，再對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作。 地址寄存器的原理圖： 4.指令寄存器指令寄存器（IR）用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，它的輸出包括操作碼信息、地址信息等，是產(chǎn)生微命令的主要邏輯依據(jù)。 指令寄存器的原理圖： 5.程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器（PC）也

13、稱指令指針，用來指示指令在存儲(chǔ)器中的存放位置。當(dāng)程序順序執(zhí)行時(shí)，每次從主存取出一條指令，PC 內(nèi)容就增量計(jì)數(shù)，指向下一條指令的地址。增量值取決于現(xiàn)行指令所占的存儲(chǔ)單元數(shù)。如果現(xiàn)行指令只占一個(gè)存儲(chǔ)單元，則PC 內(nèi)容加1；若現(xiàn)行指令占了兩個(gè)存儲(chǔ)單元，那么PC 內(nèi)容就要加2。當(dāng)程序需要轉(zhuǎn)移時(shí)，將轉(zhuǎn)移地址送入PC，使PC 指向新的指令地址。因此，當(dāng)現(xiàn)行指令執(zhí)行完，PC 中存放的總是后續(xù)指令的地址；將該地址送往主存的地址寄存器AR，便可從存儲(chǔ)器讀取下一條指令。 程序計(jì)數(shù)器的原理圖： 4、 系統(tǒng)總電路圖及原理 系統(tǒng)原理：該CPU 主要由算術(shù)邏輯單元ALU，數(shù)據(jù)暫存寄存器DR1、DR2，數(shù)據(jù)寄存器R0R2，

14、程序計(jì)數(shù)器PC，地址寄存器AR,程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MEMORAY，指令寄存器IR，微控制器uC，輸入單元INPUT 和輸出單元OUTPUT 所組成。圖中虛線框內(nèi)部分包括運(yùn)算器、控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和微程序存儲(chǔ)器等，實(shí)測(cè)時(shí)，它們都可以在單片F(xiàn)PGA 中實(shí)現(xiàn)。虛線框外部分主要是輸入/輸出裝置，包括鍵盤、數(shù)碼管、LCD 顯示器等，用于向CPU 輸入數(shù)據(jù)，或CPU 向外輸出數(shù)據(jù)，以及觀察CPU 內(nèi)部工作情況及運(yùn)算結(jié)果。5、 波形仿真 仿真波形圖： 分析：（1）M輸出微指令01800，控制臺(tái)執(zhí)行P（4）,進(jìn)行“讀、寫、運(yùn)行”功能判斷。檢測(cè)到SWA、SWB=11后，進(jìn)入程序運(yùn)行RP（11）方式。（

15、2）執(zhí)行微地址為23的微指令，M輸出微指令為018001，后續(xù)微地址uA為01.然后進(jìn)入程序運(yùn)行的流程。（3）執(zhí)行微地址為01的M微指令008001，執(zhí)行的操作為PCAR=00H，PC+1=01H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址00H，后續(xù)地址uA為02.（4）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作，取出第一條指令的操作碼，經(jīng)過分支判斷P(1)，這是一條輸入指令I(lǐng)N。（5）執(zhí)行微地址為10的M微指令00C048，將RAM中的指令00通過內(nèi)部總線BUS，送指令寄存器IR：RAM（00H）=00BUSIR=00H。（6）執(zhí)行微地址為01的M微指令001001，SW_B為高電平，允許SW的

16、數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線BUS，由此接收數(shù)據(jù)56H。所以R0=56H。（7）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=01H，PC+1=02H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址01H，后續(xù)微地址uA為02。（8）執(zhí)行微地址09的M微指令00C048，取指令，并經(jīng)過分支判斷P（1），讀出地址為01H單元的內(nèi)容10H，經(jīng)過BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H）=10HBUSIR=10H。（9）執(zhí)行微地址為03的M微指令01ED83，進(jìn)入加法運(yùn)算微程序。通過間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=02H，PC+1=03H，AR指向RAM的02單元。（10）執(zhí)

17、行微地址為04的M微指令00E004，RAM_B為高電平，RAM的（02）單元的內(nèi)容通過BUS送AR，取數(shù)地址（AR）=0AH，RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。（11）執(zhí)行微地址為05的M微指令00B005，RAM_B為高電平，RAM的（0AH）單元的內(nèi)容34H送到BUS，此時(shí)LDDR2為高電平，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2，執(zhí)行結(jié)果：RAM（0AH）=34HBUSDR2=34H。（12）執(zhí)行微地址為06的M微指令01A206，將R0的數(shù)據(jù)送DR1.R0_B=1,允許R0的內(nèi)容56H送往BUS，此時(shí)LDDR1為高電平，BUS上的數(shù)據(jù)56H寫入ALU的數(shù)據(jù)緩沖期DR1，執(zhí)行結(jié)果：（R0

18、）=56HBUSDR1=56H.（13）執(zhí)行微地址為01的M微指令919A01，完成加法運(yùn)算：（DR1）+（DR2）R0，56H+34H=8AHR0=8AH。（14）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=03H，PC+1=04H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址03H，執(zhí)行第三條指令，存儲(chǔ)STA。（15）執(zhí)行微地址12的M微指令00C048，取指令，并經(jīng)過分支判斷P（1），讀出地址為03H單元的內(nèi)容20H，經(jīng)過BUS送到指令寄存器IR：RAM（03H）=20HBUSIR=20H。（16）執(zhí)行微地址為07的M微指令01ED87，通過間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址寄存器AR指向

19、取數(shù)的間接地址：PCAR=04H，PC+1=05H，AR指向RAM的04單元。（17）執(zhí)行微地址為15的M微指令00E00D，RAM_B為高電平，RAM的（04）單元的內(nèi)容通過BUS送AR，取數(shù)地址（AR）=0BH，RAM(04)=0BHBUSAR=0BH。（18）執(zhí)行01微地址為01的M微指令038201，RAM_B為高電平，R0的內(nèi)容存入RAM（0BH）單元，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2，執(zhí)行結(jié)果：RAM（0BH）=8AHBUSRAM（0BH）=8AH。（19）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=05H，PC+1=06H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址05H，執(zhí)行第四條指令，輸出OUT。（20）執(zhí)行微地址13的M微指令00C048，取指令，并經(jīng)過分支判斷P（1），讀出地址為05H單元的內(nèi)容30H，經(jīng)過BUS送到指令寄存器IR：RAM（05H）=30HBUSIR=30H。（21）執(zhí)行微地址為16的M微指令01ED8E，通過間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=06H，PC+1=07H，AR指向RAM的06單元。（22）執(zhí)行微地址為17的M微指令00E00F，RAM_B為高電平，RAM的（06）單元的內(nèi)容通過BUS送AR，取數(shù)地址（AR）=0BH，RAM(06)=0BHBUSAR=0BH