哈工大CPU设计报告

计算机设计与实践CPU设计报告

指令格式设计：

注：Ri代表3位该寄存器号的二进制表示，X,sign为8位立即数，add为8为地址

一整体框图

二各模块详细说明（数据流关系、接口说明）

1 时钟管理模块

1.1结构框图：

1.2功能描述：时钟模块为一节拍发生器，以输入时钟信号作为触发，四个节拍循环往复，当“rst”为1时节拍复位。

1.3数据流关系：

1.4接口说明：

port(

rst: in std_logic; --复位信号

clk: in std_logic; --输入时钟信号

k: out std_logic_vector(3 downto 0) --节拍输出

);

2 取址模块

2.1

visit_mem_flag

pc_out

ir_out

2.2功能描述：取指模块主要负责取指操作，当复位信号为1时，pc置零；若pc更新标志（pc_in_flag）为1，则更新当前的pc值；在第一个节拍，将当前pc给到访存控制模块，同时送访存请求信号（visit_mem_flag）,取得指令；同时将取得的指令送往运算模块、回写模块，pc送往回写模块。

2.3数据流关系：

Port (rst: in std_logic; --复位

k0,k1: in std_logic; --节拍控制

pc_in_flag: in std_logic; --PC回写允许

ir_in : in std_logic_vector(15 downto 0); --IR进入

pc_in : in std_logic_vector(15 downto 0); --PC回写

visit_mem_flag: out std_logic; --访存信号

pc_out : out std_logic_vector(15 downto 0); --PC输出

ir_out : out std_logic_vector(15 downto 0) --IR输出

);

3 运算模块

3.1结构框图：

3.2功能描述：复位信号为1时，alutou、addr、Cy、Z清零；当回写信号为1时，将回写的数据回写入寄存器中；在第二节拍完成指令的译码工作，并根据译码结果置if_reg(是否更新寄存器),if_pc（是否更新PC）,m_r（是否读请求）,m_w（是否写请求）四个标志位，并对相关的指令置好addr、aluout和ToHX,以及对一些改变运算标志位的指令置好Cy和Z这两个标志位。

3.3数据流关系：

3.4接口说明：

Port (

rst : in std_logic; --复位信号

k0,k1,k2,k3: in std_logic; --节拍控制 rewrite_flag : in std_logic; --寄存器回写允许 rewrite_data : in std_logic_vector(7 downto 0); --寄存器回写数据

ir_in : in std_logic_vector(15 downto 0); --指令IR进入

aluout : out std_logic_vector(7 downto 0); --运算结果输出 addr : out std_logic_vector(15 downto 0); --准备好的地址输出 if_reg : out std_logic; --是否回写寄存器

if_pc : out std_logic; --是否回写pc

m_r : out std_logic; --给存储管理模块读信号

m_w : out std_logic; --给存储管理模块写信号

toHX : out std_logic_vector(15 downto 0);

Cyflag: out std_logic;

Zflag: out std_logic

);

4 存储控制模块

4.1

4.2功能描述：

此模块主要完成从访存控制模块进行不同指令的存数与取数的请求。 4.3数据流关系：

4.4接口说明： Port( rst: in std_logic; --复位信号 m_w_in : in std_logic; --写请求

m_r_in : in std_logic; --读请求

k2 : in std_logic; --节拍控制

aluout_in : in std_logic_vector(7 downto 0); --Aluout 输入 dataFromMem : in std_logic_vector (7 downto 0);

c_w_out: out std_logic;

c_r_out: out std_logic;

dataToMem : out std_logic_vector (7 downto 0); outToHX : out std_logic_vector (7 downto 0) --输出到回写模块 );

5 访存管理模块

5.1结构框图：

ABUS

ABUS

nMREQ

ABUS

ABUS

ABUS

nBHE

ABUS

ABUS

ABUS

5.2功能描述：当取址模块发出取址请求时，根据PC取出指令送给取址模块；根据存储管理模块给的读写请求对存储器进行读写操作。

5.3数据流关系：

5.4接口说明：

port(

k0,k1,k2: in std_logic; --节拍控制 qz_visit_flag: in std_logic; --取址模块取址信号输入 c_r_in : in std_logic;

c_w_in : in std_logic;

pc_in: in std_logic_vector(15 downto 0); --pc输入

addr_in: in std_logic_vector(15 downto 0); --运算模块地址输入

data_in: in std_logic_vector(7 downto 0); --存数的时候用

DBUS: inout std_logic_vector(15 downto 0);

ABUS: out std_logic_vector(15 downto 0);

nMREQ: out std_logic; --片选

nRD: out std_logic; --读信号

nWR: out std_logic; --写信号

nBHE: out std_logic; --高位访问允许

nBLE: out std_logic; --低位访问允许 data_out: out std_logic_vector(7 downto 0); --取得数据输出

ir_out: out std_logic_vector(15 downto 0) --取得指令输出

);

end fangcun;

6 回写模块

6.1结构框图：

6.2功能描述：第四节拍时完成PC或者是Reg的回写，并完成PC+1的过程。

6.4接口说明：

port(

k3: in std_logic;

if_pc_in: in std_logic;

if_reg_in: in std_logic;

from_M: in std_logic_vector(7 downto 0);

pc_in: in std_logic_vector(15 downto 0); --用于处理jz,jc

jmp_in: in std_logic_vector(16 downto 0);

ir_in: in std_logic_vector(15 downto 0);

pc_update: out std_logic; --PC回写标志

reg_update: out std_logic; --Reg回写标志 pcnew: out std_logic_vector(15 downto 0);

Rdata: out std_logic_vector(7 downto 0)

);

end huixie;

三设计、调试、波形、下载过程中遇到的问题及解决方法。

1.下载到板子上时，IR只显示低8位。

在访存模块中未将DBUS的高八位赋值，只将低八位赋值为data_in，将其的高八位并上“00000000”即可。

2.数据总线的数据显示不对。

在读完数据后，未将DBUS赋值为高阻。在访存模块中，在读取数据总线数据后，随即将其赋值为高阻状态。

3.运算产生Cy=1时，随即加上Cy=1这一结果，本应该在下一运算中加上。

将对于Cy的处理放于另一个Process中处理，专门处理对于Process的赋值情况，避免了上述情况的发生。

4.部分区域出现多重的嵌套if或case语句时，结果不对。

增加相同的判定条件，从而减少嵌套的层数，可以有效避免。

5.出现多值驱动的报错。

一个信号不能在多个Process里头赋值。

6.处理跳转指令时跳转错误。

之前跳转指令的处理放在运算模块中，但是怎么调都不好使，之后将跳转指令的处理放到回写模块中，便好使了。

四波形

总波形1

总波形2

时钟管理模块

取址模块

运算模块

存储管理模块

访存控制模块

回写模块