VHDL,CPU实验报告.doc

计算机硬件课程设计设计报告学号： 姓名： 成绩： 学号： 姓名： 成绩： 东南大学计算机科学与工程系二0 10 年 12 月目录1.实验名称 22.实验目的 23.实验任务 2.4.主要特色 25. 设计方案 35.1 数据格式和指令系统 35.2本设计的体系结构 55.测试结果与性能分析 206.课程设计总结. 221 实验名称微程序控制的模型计算机的设计与调试2 实验目的 1综合运用“计算机组成原理”和“数字电路”等课程的知识，通过对模型机的设计和调试，加深对计算机各部件工作原理的认识。 2进一步掌握运用EDA技术进行设计和调试的工作方法。 3掌握计算机硬件设计的思想，方法及工作过程，进一步培养工程设计的能力。3 实验任务1 自行规定数据格式和指令格式，在所提供的条件范围内设计一台由微程序控制（也可以用其他方式如组合逻辑等）的模型计算机。2 根据设计方案，将模型机调试成功。3 整理出相关文件。（1） 数据格式和指令系统。（2） 总框图。（3） 详细电路图或有关电路的VHDL语言源程序。（4） 微指令格式和微程序。（5） 调试过程和测试结果 （包括测试程序）。4 主要特色1增加了ROM的宽度，改为24位，使得可以在一个时钟内读出24位的微指令。2 对电路进行了合理的修改，具体增加了SRC. DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到RA,RB的译码电路。3SRC. DEST结合IR0,IR2,IR1,IR3到WA,WB的译码电路，实现了对于源操作数的写入。4由微指令到8CPU中对应的端口译码。5重新构造了ROM，RAM，修改了时序电路，调整了M1,M2,M3,M4的时序。6除了书上要求的指令微程序以外，还对微程序进行了扩充，加了逻辑左移指令：SAL(每次执行左移一位)，以及乘法指令：MUL(8位与8位数据相乘，得到16位数据高8位写回源操作数，低8位写回目的操作数)7修改了M1,M2,M3,M4的连接电路。8通过用软件模拟的方法，成功的构造了一个简单的CPU，更加熟练的学会使用EDA技术。试验中结合了数字实验和组成原理部分内容。9用简单易读的方式排列24位控制信号，使得操作更加简便，如图所示5 设计方案5.1数据格式和指令系统（参考教材）采用8位数据通路，数据采用8位二进制定点表示。7 6 5 4 3 2 1 0. 设置7条机器指令和两条面板操作指令（1） 面板操作指令（因为没有一BIOS 及操作系统，所以用面板指令进行初始化，启动机器）a. 输入地址为PC置初始值，即输入程序的起始地址，当K1开关置“1”，K2开关置“0”时执行此操作。b. 输入程序将程序输入到内存的指定区域，当K1，K2开关均置“1”时，由面板输入开关输入程序c. 本模型机设置K3开关，K3置1表示执行单步操作。d. START表示启动开关。（2） 指令系统a. 指令格式操作码 寻址方式7 6 5 4 3 2 1 0有二种寻址方式寄存器寻址 操 作 码 R目R源 7 6 5 4 3 2 1 0直接地址寻址 由于地址要占用一个字节，所以此类指令为双字节指令。 操 作 码 R目 R源 内 存 地 址 b. 9条机器指令IN R； 从开关输入数据送入到指定的寄存器R。格式： 0 0 0 1 R目 0 0OUT R；从指定的寄存器R中取出数据送入到输出缓冲器，显示灯亮。格式： 0 0 1 0 0 0 R源 LD R , address ；从内存指定单元取出数据，送入指定的寄存器R。 格式： 0 0 1 1 R目 0 0 内 存 地 址 ST address, R; 从指定的寄存器R中取出数据，存入内存指定单元。 格式： 0 1 0 0 0 0 R源 内 存 地 址 ADD R1， R2；将两个寄存器中的数据相加，结果送到R1。 格式： 0 1 0 1 R目 R源 JMP address; 无条件转移，即address PC。 格式： 0 1 1 0 0 0 0 0 内 存 地 址 HALT ； 停机指令。MUL R1， R2；将两个寄存器中的数据相乘，结果高8位送到R1，低8位送到R2。 格式： 1 0 1 0 R目 R源SAL R；将R中的数据左移一位，结果送到R1。 格式： 1 0 0 1 R目5.2本设计的体系结构为了简单方便起见，我们采用单总线结构，总体机构和CPU内部结构设计如图所示CPU灯内存 单总线 KDATA总体结构图PC 单总线IR微地址入口电路控存ROM微指令寄存器通用REG组微指令译码电路ALU微指令 CPU内部结构1 数据通路设计（1） 采用QuartusII软件工具，先设计出运算器部分，如图所示 .ALU.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。（2） 采用QuartusII软件工具，先设计出运算器部分，如图所示 MUL.bdf，经时序仿真正确后，进行符号封装。介绍数据通路时打开8CPU.bdf（2）根据指令系统，数据通路中应包括寄存器组，存储器等，采用单总线结构，截图一分为二（1）（2）其中为了做乘法，我们对8cpu加了6个控制信号，如图所示2 控制器设计（1） 控制器总框图IR微地址入口电路控 存（ 存 放 微 程 序 ）微 指 令 寄 存 器 微 命 令 译 码 电 路. 控 制 信 号 （2） 微指令格式和微命令首先对数据通路进行分析，需要22个控制信号。此外还要2个信号：UPC （表示一段微程序结束），HALT（停机），共需要24个控制信号。采用水平型格式表示。控制数据通路的16个信号说明如下：G1，G2，G3，G4ramormul，cmul 分别控制6个多路开关A，B，C，D，EO，P，Q 分别控制对应的寄存器输入F 控制计数器PC的输入和计数I 控制指令寄存器的输入DEST 目的寄存器的读出控制信号SRC 源寄存器的读出控制信号WE 对RAM的写入信号GWN 通用寄存器组的写入信号LDN PC置初值的控制信号SRCWE 源或目的寄存器的写入信号（3） 控存的安排和时序信号本方案采用的时序控制信号是由74393b产生的。对于时序，本来是有六个时钟周期的，我们将其缩短在了四个，有效的提高了运行效率。修改后的时序电路图时序脉冲（4） 微地址入口电路的设计为简单起见，微地址采用8位，其高4位由指令操作码控制，低4位由一个4位的计数器控制。将ROM的高段地址区用于存放面板指令的微程序，低段地址存储区存放一般指令的微程序，控制电路可参考图6。7 6 5 4 3 2 1 0IR5 IR474161K1 IR7 K2 IR6+1 图3-6 微地址入口电路（5） 微命令译码电路a. 本方案中寄存器组采用的是74670芯片，每次写入可以为源寄存器，也可以为目的寄存器，所以Wa,Wb要经过译码与IR2，IR3连接，读出时目的和源寄存器均可读出，所以依然要用译码电路。电路设计如下：写寄存器译码电路读寄存器译码电路b. 停机电路以下几种情况需停机：（a）总清. (b) 执行单指令操作，且一条指令执行完。 (c) 执行停机指令。根据这三种情况可以设计出停机电路。c. UPC微命令表示一段微程序结束，因此该命令要做的工作是：（a）置“0”微程序计数器（74161）。 （b）置“0”指令寄存器。3 微程序和总电路图微程序定义如下：取指公操作INOUTLDSTADDJMPHALTLod pcSALMUL8cpu中的端口译码电路如下：Rom修改为24位，修改电路如下：24位重新排列微指令顺序8CPU重新封装效果图CPU总的电路图：（截成四部分）时序及upc产生部分8cpu及寄存器读写译码部分 控制信号译码部分Rom及取微指令部分、6 测试结果与性能分析（测试程序、时序图、编译报告中资源使用情况）仿真：微程序和电路设计完成后，进行编译，并通过仿真来检验cup的各项功能。仿真时，先用面板指令输入程序的起始地址和一段小程序。我们输入的程序为：初始地址为00H，即00000000Ram中程序如下：进行仿真，首先开关K1置1，K2置0，kdata为00H，为PC置初始值00即程序口地址，接着将K1置0，执行程序。此时，我们置kdata始终为02H，通过IN指令输入到R0和R1中，然后继续执行程序！建立vwf文件如下:IN R0随后为R1此后也一直位02H仿真结果如下:输出乘法结果低八位PC置初值00H先后INR0 R1ADDR0 R1JMP到10HJMP到10H0SAL R0然后执行MUL R0 R1由于是16位数，直接显示不方便，所以没立即显示输出高八位停机7 课程设计总结本实验是设计一个小型CPU，主要工作是在给定的CUP主体结构上完善电路，修正已有电路错误以及设计微程序。本实验有相当的综合性：在实践过程中，我们充分使用了组成原理、微机接口、数字电路等相关知识。通过本次实验，我们对CPU的结构和工作原理有了切实的认识。尤其在总线，时序，微指令等方面，投入的时间不少，体会很深。我们深刻理解了总线作为指令和数据传输的道路和桥梁，在CUP的工作过程中扮演的重要角色；弄懂了通过时序的调节解决总线的冲突的方法；在全面细致地分析了CUP结构和工作原理的基础上，我们掌握了编写微指令的方法与技巧。通过组内讨论和求教于老师、同学，我们顺利的完成了基本的实验目标，并做了进一步研究。利用加法指令，我们增加了SAL（左移一位）指令。采用控制RA、RB读信号的控制思路，我们使得源、目的寄存器均可写入。在此基础上，我们引入了8位乘法器，将结果16位二进制数，成功写入源、目的寄存器。对现有的24位控制信号，我们充分利用了每一位。同时，我们注意到实验中还有很多可以改进的地方。由于时间和给定CPU规格的限定，很多想法未能实施。比如，编写微指令时，我们注意到：一条指令中的某条指令在M3时已经完成，空等一个M4，才取下一条。这样的情况并不少见。如果将执行微指令、取微指令等改为下降沿也能触发，就可以把下一条提到M4做，这就省了一个整个指令周期。宏观的时间节省量自然也十分可观。再如，实验提供的ROM为24位，这使得控制信号剩余不多，一旦想多加其它组件，就会为之苦恼。我们想到自取名为“多面手控制信号”的