计算机组成原理CPU设计实验报告 -

计算机组成原理报告

课程设计题目：16位CPU设计

学院: 信息学院 班级：电子A班 学号：1115102015 姓名：方茹

1

目录

1 实验方法 ...................................................................................................................................... 4 2 总体说明 ...................................................................................................................................... 5

2.1指令系统： .............................................................................................. 5

2.1.1指令格式分类（按指令字长和操作数不同）： .............................................................. 5 2.1.2具体指令汇总表： ............................................................................................................ 6 2.1.3相关指令流程图： ............................................................................................................ 6 2.1.4指令数据通路的构建： .................................................................................................... 7 2.1.5指令的分组及节拍： ...................................................................................................... 11 2.1.6指令执行状态图：(见下页) ........................................................................................... 12 2.1.7具体微指令： .................................................................................................................. 12

2.2 系统整体介绍 ....................................................................................... 15

2.2.1系统基本模块划分 .......................................................................................................... 15 2.2.2总体结构图：(见下页) ................................................................................................... 16

3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................................... 17

3.1取指令逻辑的设计 ............................................................................................................. 18 3.1.1指令地址的保存 .............................................................................................................. 18 3.1.2指令存储器 ...................................................................................................................... 19 3.1.3下一条指令地址的计算 .................................................................................................. 19 3.2指令译码逻辑的设计 ......................................................................................................... 20 3.3指令执行逻辑的设计 ......................................................................................................... 21 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................................................... 22 3.5结果写回逻辑的设计 ......................................................................................................... 23 3.6单周期CPU的总成 ........................................................................................................... 24

4各部分说明 ................................................................................................................................. 25

4.1 ALU..................................................................................................................................... 25 4.2数据选择器BUS_MUX ..................................................................................................... 27 4.3器件T1 ............................................................................................................................... 29 4.4标志寄存器FLAG_REG ................................................................................................... 30 4.5 T2： .................................................................................................................................... 32 4.6程序计数器PC ................................................................................................................... 32 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR： ................................................................................ 33 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择 ................................................................................. 35 4.9一位控制信号/WR ............................................................................................................. 36 4.10 节拍发生器 ...................................................................................................................... 36 4.11控制逻辑 ........................................................................................................................... 38 4.12 T3 ...................................................................................................................................... 41 4.13 REG_OUT ........................................................................................................................ 42 4.14存储器............................................................................................................................... 43 4.15总线选择器 ....................................................................................................................... 44

2

4.16 REG_TEST ....................................................................................................................... 45

5附录： ......................................................................................................................................... 46

附录A：组员分工： ............................................................................................................... 46 附录B：组员设计总结： ....................................................................................................... 46

3

1 实验方法

实验要完成的工作主要包括：指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现（VHDL语言程序的编写），软件模拟，以及硬件调试。这几部分的工作之间是先行后续的关系，也就是只有前一个步骤完成了下一个步骤才可以开始进行，不存在并行完成的情况。实验主要流程如下图所示：

指令系统设计

逻辑设计

具体实现

软件模拟

硬件调试

设计FPGA-CPU的指令集。我们选择了不做流水及Cache。 分析并确定CPU主要功能模块，分析每条指令的执行过程，数据的流向和控制信号的产生，画出逻辑结构图 按模块分别实现并模拟 整体模拟仿真，检查时序关系配合是否正确 下载到FPGA中进行硬件调试 其中指令系统和逻辑结构的设计主要参考了相关文献。

主要的方法是先确定CPU所要实现的功能，根据寄存器等的情况划分指令格式，然后根据功能写出指令，根据不同指令的特点将它们分组并确定操作码；接下来设想每条指令的执行过程，需要哪些硬件支持，最后确定整个CPU的逻辑结构图。

在各个功能模块的实现中主要使用了自底向上的设计方法。先实现寄存器，再实现寄存器组，等等，最后将各个器件和模块之间互连，得到顶层设计图。

4

2 总体说明 2.1指令系统：

计算机的指令是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计算机支持的全部指令就构成该机的指令系统。从计算机本身的组成看，指令系统直接与计算机系统的性能和硬件结构的复杂程度等密切相关，它是CPU设计的起始点和基本依据。

设计指令系统的核心问题是选定指令的格式和功能。具体到我们的设计来说，指令的功能应该包括简单的算术和逻辑运算，移位操作，数据传送，跳转，读写内存，另外还可能包括一些其他功能如置条件码等。

为了指令的规整性和便于译码，我们主要采用了定长的操作码组织方案，操作码为8位。寻址方式包括了寄存器寻址、立即数寻址、直接地址和相对寻址。

2.1.1指令格式分类（按指令字长和操作数不同）：

（1）单字指令

单字节指令格式

（2）双字指令

5

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新小学教育计算机组成原理CPU设计实验报告 - 全文阅读和word下载服务。