《片上计算机课程设计—cup》由会员分享，可在线阅读，更多相关《片上计算机课程设计—cup（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、哈哈尔尔滨滨理理工工大大学学 软软件件学学院院课课程程设设计计报报告告课课 程程 片上计算机系统片上计算机系统 题题 目目 CPUCPU 模型机设计模型机设计 班班 级级 集成集成 12-212-2 班班 专专 业业 集成电路设计与集成系统集成电路设计与集成系统 学学 生生 姜喜超姜喜超 学学 号号 12140202091214020209 指导教师指导教师 于斌于斌 2 20 01 14 4 年年 0 07 7 月月 3 3 日日索 引：1 1课程设计的目的及要求课程设计的目的及要求32处理器的设计思想和设计内容处理器的设计思想和设计内容33设计处理器的结构和实现方法设计处理器的结构和实现方
2、法34模型机的指令系统模型机的指令系统45处理器的状态跳转操作过程处理器的状态跳转操作过程46. CPU 的的 VHDL 代码代码77. 模型机在模型机在 Quartus II 环境下的应用环境下的应用148. 仿真波形仿真波形159. 课程设计的总结课程设计的总结17一 课程设计的目的及要求：课程设计的目的及要求：1.目的：了解 Quartus II 软件的应用，学习 Quartus II 环境下设计 CPU 的基 本过程；掌握 CPU 设计代码的含义以及 CPU 的工作原理；了解 CPU 与内存 RAM 间的连接数据的传输过程；学习在 Quartus II 环境下建立模型机的具体过 程。融
3、会贯通本课程各章节的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统 各模块的工作原理及相互联系的认识。学习设计和调试计算机的基本步骤和方 法，提高使用软件仿真工具和集成电路的基本技能。培养科学研究的独立工作 能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验。2.要求：以计算机组成与设计书中 123 页的简化模型为基础，更改其 指令系统，形成设计者的 CPU，在 Quartus II 环境下与主存连接，调试程序， 观察指令的执行是否达到设计构想。二二 处理器的设计思想和设计内容：处理器的设计思想和设计内容：处理器的字长为 16b；包括四种指令格式，格式 1、格式 2、格式 3 的指令 字长度为 8b，格式
4、4 的指令字长度为 16b；处理器内部的状态机包括 6 个五个 状态。 关于 CPU： 操作码 4 位，一共设计 16 条指令，主要包括空操作指令、中断指令、加法 指令、减法指令、三种逻辑运算指令、循环移位操作指令，数据传输指令，转 移类指令，特权指令等等。 关于 RAM： 地址线设置成 16bits，主存空间为 64words。 书中原 CPU 的主要修改： （1）模型机 CPU 指令集中的逻辑左移与逻辑右移改成逻辑循环右移与逻 辑循环左移。 （2）模型机 CPU 指令集中的 or 改成 not。 （3）模型机 CPU 指令的执行流程及状态跳转。三三 设计处理器的结构和实现方法：设计处理器的
5、结构和实现方法：（指令格式） 格式 1：寄存器寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP Rx Ry 空白 格式 2：立即数寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP I 空白 格式 3：无操作数寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP 空白 空白 格式 4：直接寻址方式15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP Addr内存（2 的 12 次方）四四 模型机的指令系统模型机的指令系统CPU 的指令集： 操作码
6、OP IR(1512)指令 格式指 令 的 助 记 符指 令 的 内 容00003Idle无操作 PC=PC+1 00012Load DataR0I 立即数操作 00101Move Rx RyRx (Ry) PC=PC+1 00111Add Rx RyRx (Rx)+(Ry) PC=PC+1 01001Sub Rx RyRx (Rx)-(Ry) PC=PC+1 01011AND Rx RyRx (Rx) AND(Ry) PC=PC+1 01101NOT Rx RyRx (Rx) NOT (Ry) PC=PC+1 01111XOR Rx RyRx (Rx) XOR (Ry) PC=PC+1 10
7、001Swap Rx Ry A(Ry) Ry(Rx) Rx(A) PC=PC+1 10011Rhr Rx Ry逻辑循环右移 PC=PC+1 10101Rhl Rx Ry逻辑循环左移 PC=PC+1 10114Jmp AddrPCAddr PC=PC+111004Jz AddrIf (R0)=0 then PCAddr else PC=PC+1 11014Read AddrR0(Addr) PC=PC+1 11104Write Addr Addr(R0) PC=PC+1 11113Stop无操作 PC 保持不变五五 处理器的状态跳转操作过程：处理器的状态跳转操作过程：(1)、模型机每一状态下的操
8、作及状态跳转 当前状态执行操作次态与读下一条指令的有关的 操作 St_0取指令 IR(150)M_data_in（150）St_1 Write-Read0 PC=PC+1IF OP=Load THEN R0IR(118)|”000000000000” IF OP=Move THEN Rx (Ry) IF OP= Rhr THEN Rx (Rx)逻辑循环右移 IF OP= Rhl THEN Rx (Rx)逻辑循环左移 IF OP= Add THEN A(Ry) IF OP= Sub THEN A(Ry) IF OP= AND THEN A(Ry) IF OP=NOT THEN A(Ry) IF
9、OP= XOR THEN A(Ry) IF OP= Swap THEN A(Ry) IF OP=Stop THEN NULL IF OP=Idle THEN NULL IF OP=Jmp THEN NULL IF OP=Jz THEN NULL IF OP=Read THEN NULLSt_1IF OP=Write THEN NULLMARPC IF(OP=Stop)THEN St_1 ELSE St_2 END IFIF OP= Load OR OP=Move OR OP= Rhr OR OP= Rhl OR OP=Idle THEN NULL IF OP= Add THEN Rx (Rx)
10、+A IF OP= Sub THEN Rx (Rx)- A IF OP= AND THEN Rx (Rx)ANDA IF OP= NOT THEN Rx (Rx) NOT A IF OP= XOR THEN Rx (Rx) XORASt_0 Write-Read0IF OP= Swap THEN Ry(Rx) IF OP= Jmp THEN (PCIR(10) MARIR(110)St_2IF OP= Jz THEN IF (R0)=0 THEN (PCIR(10) MARIR(110) ELSE MARPCSt_3 Write-Read0IF OP= Read THEN MARIR(110)
11、 IF OP= Write THEN MARIR(110) MDAR0 IF OP= Swap THEN Rx(A)St_0 Write-Read0 IF OP= Jmp NOT OP= Jz St_0 MARPC Write-Read0 IF OP= Write St_4 MARPC Write-Read0St_3IF OP= Read St_4 MARPC Write-Read0 St_4IF OP= Read THEN R0M_data_inSt_0 Write-Read0(2)、简单指令执行状态描述读内存指令： （1）St_0：取指令执行以下操作； 1）M_address(MAR) 把
12、指令地址送到地址总线 2）令 Write-Read0 向内存发出读命令（取指令） 3）IR(150)M_data_in（150） 将读出的指令加载于 IR(150) 4）PC=PC+1 至此指令已经全部取出，存在于 IR(150)，为取下一条指令 准备地址 （2）St_1：NULL 直接跳转到下一状态 （3）St_2：MARIR(110)将数据地址加载于 MAR （4）St_3： 1）M_address(MAR)把数据地址送到地址总线 2）令 Write-Read0 向内存发出读命令（取数据） 3）MARPC 把下一条指令地址加载于 MAR （5）St_4： 1）R0M_data_in 将来自
13、内存的数据加载于 R0，本指令执行完毕 2）M_address(MAR) 把下一条指令地址送到地址总线 3）令 Write-Read0 向内存发出读命令（取下一条指令） 4）下一状态跳转到 St_0无条件转移指令 （1）St_0：取指令执行以下操作； 1）M_address(MAR) 把指令地址送到地址总线 2）令 Write-Read0 向内存发出读命令（取指令） 3）IR(150)M_data_in（150） 将读出的指令加载于 IR(150) 4）PC=PC+1 （此语句无用，因为程序计数器后续重新复制达到无条件转 移目的） （2）St_1：NULL 直接跳转到下一状态 （3）St_2： 1）MARIR(110) 将转移目标地址加载于 MAR 2）PCIR(110) 将转移目标地址加载于 PC （4）St_3： 1) M_address(MAR) 把下一条指令地址送到地址总线 2)令 Write-Read0 向内存发出读命令（取下一条指令） 3)下一状态跳转到 St_0六六CPUCPU 的的 VHDLVHDL 代码：代码
