8位CPU的設(shè)計(jì)及實(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)教師凌朝東華僑大學(xué)電子工程系位CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、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(guò)運(yùn)行測(cè)試程序?qū)PU設(shè)計(jì)進(jìn)展正確性評(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構(gòu)造設(shè)計(jì)；規(guī)那么文件與調(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的組成構(gòu)造三、元器件的選擇1.運(yùn)算部件(ALU)ALU181的程序代碼：LIBRARYIE

2、EE;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);COUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);M:INSTD_LOGIC;:INSTD_LOGIC;CO,FZ:OUTSTD_LOGIC);ENDALU181;ARC

3、HITECTUREbehavOFALU181ISSIGNALA9:STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);SIGNALB9:STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);SIGNALF9:STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);BEGINA9<='0'&A;B9<='0'&B;PROCESS(M,A9,B9)BEGINCASESISWHEN"0000"=>IFM='0'THENF9<=A9+;ELSEF9<=NOTA9;ENDIF;WHEN&qu

4、ot;0001"=>IFM='0'THENF9<=(A9orB9)+;ELSEF9<=NOT(A9ORB9);ENDIF;WHEN"0010"=>IFM='0'THENF9<=(A9or(NOTB9)+;ELSEF9<=(NOTA9)ANDB9;ENDIF;WHEN"0011"=>IFM='0'THENF9<="000000000"-;ELSEF9<="000000000"ENDIF;WHEN"

5、0100"=>IFM='0'THENF9<=A9+(A9ANDNOTB9)+;ELSEF9<=NOT(A9ANDB9);ENDIF;WHEN"0101"=>IFM='0'THENF9<=(A9orB9)+(A9ANDNOTB9)+;ELSEF9<=NOTB9;ENDIF;WHEN"0110"=>IFM='0'THENF9<=(A9-B9)-;ELSEF9<=A9XORB9;ENDIF;WHEN"0111"=>IFM=&

6、#39;0'THENF9<=(A9or(NOTB9)-;ELSEF9<=A9and(NOTB9);ENDIF;WHEN"1000"=>IFM='0'THENF9<=A9+(A9ANDB9)+;ELSEF9<=(NOTA9)andB9;ENDIF;WHEN"1001"=>IFM='0'THENF9<=A9+B9+;ELSEF9<=NOT(A9XORB9);ENDIF;WHEN"1010"=>IFM='0'THENF9<=(

7、A9or(NOTB9)+(A9ANDB9)+;ELSEF9<=B9;ENDIF;WHEN"1011"=>IFM='0'THENF9<=(A9ANDB9)-;ELSEF9<=A9ANDB9;ENDIF;WHEN"1100"=>IFM='0'THENF9<=(A9+A9)+;ELSEF9<="000000001"ENDIF;WHEN"1101"=>IFM='0'THENF9<=(A9orB9)+A9+;ELSEF9&l

8、t;=A9OR(NOTB9);ENDIF;WHEN"1110"=>IFM='0'THENF9<=(A9or(NOTB9)+A9)+;ELSEF9<=A9ORB9;ENDIF;WHEN"1111"=>IFM='0'THENF9<=A9-;ELSEF9<=A9;ENDIF;WHENOTHERS=>F9<="000000000"ENDCASE;IF(A9=B9)THENFZ<='0'ENDIF;ENDPROCESS;F<=F9(7DO

9、WNTO0);CO<=F9(8);COUT<="0000”WHENF9(8)='0'ELSE"0001"ENDbehav;ALU的原理圖:OL.KD7.CSSTTJOCTALLATHES%msL：3U_iglJduc(Efl2743孫OEM-C3-1GINI7.0OCTALLATiZHES?43Z3bOEM0a.1|NdUN/.HfeY.ktYlT4KWS3CLKMYBcn0TM*4EV3Ar/.DJLfeM.LtLrliBp.CJ-EM.LEDSFF.邙TCMLFDScoSI3.C1-LEM3朗g"LSsi%ftLUiei9

10、E>OJ1f*T1-O1-S:ErrA_77.CO_IAI7.02. 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)展控制，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)生部件可由假設(shè)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(guò)微程序控制器和微指令存儲(chǔ)器產(chǎn)生微命令，因此此CPU屆丁復(fù)雜指令CISCCPU。微控制器的原理圖A-IF3. 存放器組計(jì)算機(jī)工作時(shí),CPU需要處理大量的控制信息

11、和數(shù)據(jù)信息。例如對(duì)指令信息進(jìn)展譯碼，以便產(chǎn)生相應(yīng)控制命令對(duì)操作數(shù)進(jìn)展算術(shù)或邏輯運(yùn)算加工，并且根據(jù)運(yùn)算結(jié)果斷定后續(xù)操作等。因此，在CPU中需要設(shè)置假設(shè)干存放器，暫時(shí)存放這些信息。在模型CPU中，存放器組由R0、R1、R2所組成。存放器組的原理圖:3.地址存放器CPU存儲(chǔ)器，首先要找到需要的存儲(chǔ)單元，因此設(shè)置地址存放器AR來(lái)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)展讀寫操作。地址存放器的原理圖4. 指令存放器它的輸出包括操作碼信息、指令存放器IR用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令

12、,地址信息等，是產(chǎn)生微命令的主要邏輯依據(jù)。指令存放器的原理圖：5. 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC也稱指令指針，用來(lái)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。增量值取決丁現(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，那么PC內(nèi)容加1;假設(shè)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存放器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:IeiBiarnininiinnwii

13、LRMCOLJNTER.>U.f-01-gigLPM_AVALUELPLI_QIRECT1ON1PP-l_Mr.OULELFMLVALUEUMWDTH四、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)暫存存放器DR1、DR2,數(shù)據(jù)存放器R0R2,程序計(jì)數(shù)器PC,地址存放器AR,程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MEMORAY,指令存放器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)局部包括運(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)。虛線框外局部主要是輸入/輸出裝置，包括鍵盤、數(shù)碼管、LCD顯示器等，用

14、丁向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。五、波形仿真仿真波形圖:分析:1M輸出微指令01800,控制臺(tái)執(zhí)行P4，進(jìn)展“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RP11方式。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PCtAR=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(guò)分支判斷P(1),這是一

15、條輸入指令I(lǐng)N。5執(zhí)行微地址為10的M微指令00C04&將RAM中的指令00通過(guò)內(nèi)部總線BUS,送指令存放器IR:RAM00H=00tBUStIR=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=56H7執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82,執(zhí)行取指令操作：PCtAR=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00C04&取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P1，讀出地址為01H單元的內(nèi)容10H,經(jīng)過(guò)BUS送到指令存放器IR:RAM01H=10

16、HtBUStIR=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(guò)問(wèn)接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址存放器AR指向取數(shù)的間接地址：PCtAR=02H,PC+1=03H,AR指向RAM的02單元。10執(zhí)行微地址為04的M微指令00E004RAM_B為高電平，RAM的02單元的內(nèi)容通過(guò)BUS送AR,取數(shù)地址AR=0AH,RAM(02)=0AHtBUStAR=0AH。11執(zhí)行微地址為05的M微指令00B005RAM_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：ram0AH=34HTBUSTDR2=34H。

17、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=56HtBUStDR1=56H.13執(zhí)行微地址為01的M微指令919A01,完成加法運(yùn)算：DR1+DR2tR0,56H+34H=8AHtR0=8AH。14執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82,執(zhí)行取指令操作：PCtAR=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00C04&取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P1，讀出地址為03

18、H單元的內(nèi)容20H,經(jīng)過(guò)BUS送到指令存放器IR:RAM03H=20HtBUStIR=20H。16執(zhí)行微地址為07的M微指令01ED87,通過(guò)間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址存放器AR指向取數(shù)的間接地址：PCtAR=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(guò)BUS送AR,取數(shù)地址AR=0BH,RAM(04)=0BHtBUStAR=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RAM0BH單元，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2,執(zhí)行結(jié)果：RAM0BH=8AHt

19、BUStRAM0BH=8AH。19執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82,執(zhí)行取指令操作：PCtAR=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00C04&取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P1，讀出地址為05H單元的內(nèi)容30H,經(jīng)過(guò)BUS送到指令存放器IR:RAM05H=30HtBUStIR=30H。21執(zhí)行微地址為16的M微指令01ED8E,通過(guò)間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址存放器AR指向取數(shù)的間接地址：PCtAR=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(guò)BUS送AR,取數(shù)地址AR=0BH,RAM(06)=0BHtBUStAR=0BH23執(zhí)行微地址為25的M