用Multisim软件设计4位微处理器

电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 一 引言 用M u l t i s i m 软件设计4 位微处理器 刘荣聂典何敏石会 解放军理工大学南京2 1 0 0 0 7 F P G A 密度大 功耗低 速度快 通过软件编程可对其内部电路的结构进行重构 从而实现用 户指定的逻辑功能 v H D L 是 种国际标准的硬件电路描述语言 在大规模数字系统设计中发挥着 越来越重要的作用 使用F P G A 和V H D L 语言进行数字系统设计 可随时改变器件内部的逻辑功能 和引脚的定义 可自动的进行逻辑综合与仿真 自动对目标器件进行下载编程 使复杂的硬件设计 变得如同软件设计一样简单 本文将用计算机仿真软件h 恤l t i s i m1 0 设计一基于F P G A 的4 位微处理 器系统 从底层设计到顶层设计 完整介绍数字系统设计的全过程 二 四位C P U 组成原理 C P U 从最初的4 位 1 6 位 3 2 位到现在流行的6 4 位微处理器 正是C P U 的发展推动了计算机 的发展 可以说C P U 是计算机的灵魂 本文所设计的4 位微处理是基于硬件描述语言 该微处理器 的硬件系统包括运算器 控制器和寄存器 包括指令寄存器和通用寄存器 以及其它必要的逻辑部 件 如程序计数器和译码器等 C P U 的指令系统包括数据传送指令 算术运算指令 输入输出指令 和C P u 控制指令等 图1 给出了4 位微处理器的结构框图 3 o l I UU z o C a o 一 r q 一 兰宝 一 J 阳l a s z C M o o 翻口百 口L 抽t r 辟L H 一R 3一 3柚 D 0 工I o 兰兰墨b 一 D q D z 5 3 n 呱 S 0 0 一 r 一 c 一 弋 t l L0 r 7占 一 o l 厅 l 戌 z eB YY r l t C t L一 上 L 图l4 位微处理结构框图 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 其中 R A M R E G s 是一个用于读写数据的双端口存储器组 Q R E G S 是一个4 位寄存器 s R c O P 为 多路选择器 用来选择算术运算中的原操作数 A L U 是一个算术逻辑运算单元 0 U L l l U X 是一个输出 多选择器 用于选择A L u 输出或存储器组的A D 信号作为对外输出 4 位A 信号和B 信号用来对1 6 位存储器组进行寻址 它决定了输出线A D 和B D 的读出数据 当存储器组写使能时 B 地址还决定 了数据的写入地址 4 位信号R 和s 与进位输入信号c N 起构成了A L u 的输入 多路选择器S R c O P 选择A D 肋 D Q 或O 输出到A L U 其中D 接到R 操作数的多路输入 寄存器Q R E G S 的输出信号Q 接到S 操作数的多路输入 输出多路选择器选择A D 或F 信号作为对外的三态输出 A L u 输出信号F 还反馈回Q R E G s 和R A M R E G S A L U 的另外4 个输出 分别是进位输出c N 4 进位生成 反相 G B A R 进位传输 反相 P B A R 溢出标志0 v R 其他两个信号 F 0 和F 3 分别表示运算结果为 0 和最高位 符号位 为l 其中F O 是集电极开路输出 它们可用以不打开对外三态输出的情况下 判断算术运算结果为0 或为负 三 功能模块设计和调试 v 1 1 D L 编译平台采用基于M u l t i s i m1 0 的V D L 仿真软件M u l t i s i mV 咖L 它是M u l t i s i m1 0 仿真 软件选配的一个软件包 各功能模块在M u l t i s i mV 舳L 中的编写 调试和仿真过程如图2 图2V 瑚 L 程序 1 7 3 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 将编写调试完成的各个模块在M u l t i s i ml O 中生成元件以供调用 生成的各独立元件如图3 图3 生成的独立元件 四 仿真结果输出 测试及验证 我们知道C P U 只识别机器语言 而我们编写的程序为汇编语言或其他高级语言 这些语言通 过编译器转换为机器语言 下载到C P U 的R o M 中 使c P U 能 读懂 我们的指令 执行我们所要让 它完成的功能 因此仿真过程中我们假设编写的程序已经经过编译器编译成指令存于R o M 中 R O M 中的指令如图4 1 7 4 c p r o c e s s f c l k l b e g j f w h e n j t Z i l 0 0 0 0 0 110 二d 0 110 吧a b 0 0 10 0 0 10 二s t a t e t 3 图4R O M 指令 电子高等教育学会2 0 0 8 年学术年会论文集 指令分析 i 为指令 共分三部分 宽度各为3 位 分别是源操作数选择 A L U 功能 A L U 目 标操作数 d 为立即数 a b 为两路4 位地址线 由此可看出该程序为简单的算术运算 C P U 所处理 的数据为1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 图5 为程序运行结果 用逻辑分析仪观察其结果 结果验 证了C P u 的功能 一基于1 F P G A 的4 位微处理器薯 t 9 c I 暖瞄l 强雹4 盈 一 一目目目 龋 饔 弛圆 鬓 r D 埘 i T 咽 1 V 一 羹 h 一 业f 佩广 广 一 礴磷 鬟薛f 日 一 鹾 霉 黟 缫 蘩 霪 薰 敏嘲 囊 I 謦 纂鎏墅委锄玎硒 F i 秘嘲嘲爨缫 箨鬟勰 曼爨麓鬻缫l 图5 程序仿真结果 当然C P U 的功能不只这么简单的加减运算 通过移位 也可实现乘除运算 只是再复杂的程 序 通过编译器都可转化为最基础的算术逻辑运算 参考文献 1 聂典 M u l t is