综合实验：8位CPU设计与实现

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头歌计算机组成原理实验

头歌计算机组成原理实验第一章引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要课程，它是了解计算机内部结构和工作原理的基础。

实验教学是计算机组成原理课程中的重要环节，通过实验可以巩固和加深理论知识，并且培养学生的动手能力和问题解决能力。

本实验以头歌计算机为例，通过构建和调试头歌计算机，加深对计算机组成原理的理解，并让学生亲自参与到计算机的设计和实现过程中，达到提高学生综合素质的目的。

第二章头歌计算机概述头歌计算机是一种简易的8位计算机系统，采用基于冯·诺依曼结构的设计思路，具有指令寄存器、程序计数器、数据寄存器等基本模块，能够执行基本的指令集。

头歌计算机的硬件设计基于VHDL语言，通过FPGA进行实现。

第三章实验目的本实验的主要目的是通过实践加深对计算机组成原理的理解，提高学生的动手能力和问题解决能力。

具体目标包括：1.理解并掌握头歌计算机的基本组成和工作原理；2.学会使用VHDL语言进行硬件设计；3.掌握FPGA的基本使用方法；4.实现头歌计算机的简单指令集。

第四章实验内容与步骤4.1头歌计算机的基本组成头歌计算机的基本组成包括中央处理单元（CPU）、存储器单元、输入输出单元等。

其中CPU包括指令寄存器、程序计数器、数据寄存器和算术逻辑单元。

存储器单元包括存储器和存储器管理单元。

输入输出单元包括输入设备和输出设备。

4.2头歌计算机的工作原理头歌计算机的工作原理是基于冯·诺依曼结构的。

当计算机通电后，程序计数器将指向内存中的第一条指令，指令寄存器将读取指令并交给算术逻辑单元执行。

执行完毕后，程序计数器将指向下一条指令。

计算机会循环执行指令，直到遇到停机指令。

4.3VHDL设计与FPGA实现根据头歌计算机的基本组成和工作原理，使用VHDL语言进行硬件设计。

设计时需要考虑模块的连接方式和时钟信号的处理。

设计完成后，使用FPGA进行实现，并通过上位机软件进行调试和测试。

4.4实现头歌计算机的简单指令集根据头歌计算机的工作原理，设计并实现它的简单指令集。

计算机组成原理实验教案

T4=方波
数据存入寄存器DR1
ALUB=1
开输入三态门
数据开关置数
KD0-D7=00110101SWB=0
LDDR1=0
数据存入寄存器DR2
LDDR2=1
T4=方波
3、检验DR1和DR2中存入的数据是否正确，利用算术逻辑运算功能发生器74LS181的逻辑功能，即M=1。
4、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。
H
L
L
写入
DI
HIGH-Z
L
L
L
选择
X
HIGH-Z
H
H
L
【实验过程】（实验步骤、记录、数据、分析）
1实验接线
(1)MBUS连BUS2
(2)EXJ1连BUS3
(3)跳线器J22的T3连TS3
(4)跳线器J16的SP连H23
(5)跳线器SWB\CE\WE\LDAR拨在左边（手动位置）。
2实验步骤
(1)连接实验线路，仔细查线无误后接通电源
4、用二进制模拟开关MK1-MK24置24位微代码，24位微代码由LMD1-LMD24显示灯显示，高电平亮，低电平灭。
5、按动“启动运行”开关，启动时序电路，即可将微代码写入到E2PROM 2816的相应地址单元中。
6、重复C-E步骤，将表3-5的微代码全部写入E2PROM 2816中。
读微程序：
1、将“编程开关”设置为“读”状态。
图中算术逻辑运算功能发生器74LS181(U31、U32)的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M并行相连后连至SJ2插座，实验时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2,以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN、M来模拟74LS181(U31、U32)的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其它电平控制信号LDAR1、LDAR2、ALUB、SWB以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB、SWB位低电平有效，LDDR1、LDDR2位高电平有效。

8位CPU的设计与实现

计算机组成原理实验题目８位CPＵ得系统设计学号11151０6０4６姓名魏忠淋班级 11电子B 班指导老师凌朝东华侨大学电子工程系8位CＰＵ得系统设计一、实验要求与任务完成从指令系统到ＣＰU得设计,编写测试程序,通过运行测试程序对CPU设计进行正确性评定。

具体内容包括:典型指令系统(包括运算类、转移类、访存类)设计;CＰU结构设计;规则文件与调试程序设计;CＰU调试及测试程序运行。

1。

1设计指标能实现加减法、左右移位、逻辑运算、数据存取、有无条件跳转、内存访问等指令;1、2设计要求画出电路原理图、仿真波形图;二、CPＵ得组成结构三、元器件得选择1.运算部件(ALU)AＬＵ181得程序代码:LIBRARY ＩEEE;USＥＩEEE、ＳTD_LＯGＩC_1１64。

ALL;USＥIEEE、ＳTＤ＿LOGIＣ_UＮＳIGNＥD.ＡLＬ;ENTＩＴY ＡLU181 ＩSPORＴ(S: IN STD＿LＯＧIC＿VECTＯR(3 ＤＯＷNTO0 );A:ＩN STD_LOGIC_VＥCTOＲ(7 ＤOWNＴＯ0);B: IＮSTD＿ＬOGIC＿VEＣTOR(7DＯWNＴO ０);F : OUT STＤ_LOGIC_ＶECTOR(7 DOWＮTO 0);ﻩCOUＴ:ＯUＴSTD_ＬＯＧIC_ＶECTOR(3 DOＷＮＴO0);M :IＮＳTＤ_LOGＩC;CN : IN SＴD_LOGIＣ;CＯ,ＦZ:OUT STＤ_LOGIC );END AＬU１81;AＲCHIＴＥCTＵRE bｅhav OF ALＵ181 ＩSSIGＮＡＬA9 :STＤ_LＯGIC_VECTOR(８DOWNTO 0);SIＧNAL B9 : STD＿LOGIC_VＥCTOR(8 ＤOWNTＯ０);ＳIGNALＦ9: STD_LOGIC＿VECＴOＲ(8 DＯWNTO0);BＥGINＡ９<= ＇0＇& A; B9 ＜= ’0’&B;PRＯCESS(M,CＮ,A9,B９)BEGINＣASE S ISWHEN "0００0" =〉IF M=＇0’THEN F9＜=A9 + CN ; ＥLSE F9<=ＮOT Ａ９; E ＮＤIF;WHEN "00０1" ＝＞ＩF M='0’THEN F９<=(A9 oｒB９)+ CN ;ELSE F９〈=NOＴ(A9OR B9);END ＩF;ＷHEN ”0010＂=> IF M=’0’THEN F9〈=(A9 ｏｒ(ＮOT B9))+C Ｎ; ELSE F9＜=(NOT A9) ANDＢ9; ENＤIF;WＨＥN "００1１＂=> IF M='0’ＴHEN Ｆ9<= ”000000000"—CN ;ELSＥF9<＝"00000000０”;END IF;WHEN"0100”＝> IＦM='0＇THEＮＦ9<＝A9+(A9 ＡＮＤＮOT B9)+ CＮ; ELSE F9〈=NＯT(A9 ＡNＤB9);ＥND IＦ;WHEN ”01０1”=＞IＦM＝＇0' THＥNＦ9<=(A９oｒB9)+(A9 AＮD NOＴB９)+CN ;ＥＬＳＥF9<=NOT Ｂ9; EＮD IF;WHEN＂0110" =＞IＦＭ=’0’ＴHEN Ｆ9〈=(Ａ９- Ｂ9) －CN ;ELＳE F9〈＝Ａ9ＸOR B９; ＥNＤIF;WHEＮ”０111"=＞IF M='0' ＴＨEN F9〈=(Ａ9 ｏｒ(NＯT B9)) －CN ;ＥＬSE Ｆ9<=Ａ9 and (ＮOT B9); EＮD IF;WHEN＂１000" =＞IＦM='0＇THEN F9＜=Ａ９+ (A９ＡND B9)+CN ; ELＳE F9〈＝(NOＴA９)and B９; END IＦ;WHEN "１0０1”=> IF M=’０’ＴHEN F9〈=Ａ９+ B9 + CN ; ＥLSE F9<=NOT(Ａ9 ＸOR Ｂ9); EＮＤIF;WＨEN ”１010"=＞ＩF M=’0＇THEN F９〈＝(A9or(NOTＢ9))+(A ９AND B9)＋CN ; ＥLＳＥF９<=Ｂ9;EＮD ＩＦ;ＷHEN "１０11”=〉IF M='0'TＨEＮF9<=(A9 AND Ｂ9)- C Ｎ; ELSE F9<=A9 ANＤB９; ENＤIF;ＷHEN ”1100”=〉ＩF M=＇0＇ＴHＥＮＦ9<=(A9 +Ａ9) + CN; ＥLSＥF9〈="000000001"; END ＩF;ＷHEN ＂１101”=〉IF M='0' THEN Ｆ９〈＝(A９ｏr B９)+ A9 + CN;EＬSＥＦ9〈=A9 OR (ＮＯＴB9); END ＩF;WHＥN "1１１0"=＞IF M＝'０＇THEＮF9＜=((A9 or (ＮＯＴB9)) +A9) + CN; ＥLSE F９〈＝A9OR B9;ＥＮD IF;WＨEＮ”1１11”=〉IＦＭ=’０'ＴHEＮF9<＝Ａ9 —CN ;EＬSE F9<=Ａ9 ; END IＦ;WHEN OTHＥRS=> Ｆ9＜= ”０000０００00" ;ENＤＣASE;IＦ(A９=B９) TＨＥNＦＺ<=’0';END IF;ﻩEＮD ＰROCＥSS;Ｆ＜=F9(７DOWNＴO0) ;ＣＯ<= F9(8) ;ＣOUT<=＂０0０0＂WHEN F9(８)=’0＇EＬSＥ"0０01";EＮD behav;ALU得原理图:2、微控制器实现信息传送要靠微命令得控制,因此在CPU 中设置微命令产生部件,根据控制信息产生微命令序列,对指令功能所要求得数据传送进行控制,同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。

8位CPU的设计与实现

计算机组成原理CPU 实验题目 8位的系统设计1115106046 号学魏忠淋姓名B 11电子班班级凌朝东指导老师华侨大学电子工程系8位CPU的系统设计一、实验要求与任务完成从指令系统到CPU的设计，编写测试程序，通过运行测试程序对CPU设计进行正确性评定。

具体内容包括：典型指令系统（包括运算类、转移类、访存类）设计；CPU结构设计；规则文件与调试程序设计；CPU调试及测试程序运行。

1.1设计指标能实现加减法、左右移位、逻辑运算、数据存取、有无条件跳转、内存访问等指令；1.2设计要求画出电路原理图、仿真波形图；二、CPU的组成结构三、元器件的选择1.运算部件(ALU)ALU181的程序代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ALU181 ISPORT (S : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0 );A : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);B : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);F : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);COUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);M : IN STD_LOGIC;CN : IN STD_LOGIC;CO,FZ: OUT STD_LOGIC );END ALU181;ARCHITECTURE behav OF ALU181 ISSIGNAL A9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL B9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL F9 : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);BEGINB9 <= '0' & B ; A9 <= '0' & A ;PROCESS(M,CN,A9,B9)BEGINCASE S ISWHEN ぜ?尰=> IF M='0' THEN F9<=A9 + CN ; ELSE F9<=NOT A9; END IF;WHEN IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + CN ; ELSEF9<=NOT(A9 OR B9); END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9))+ CN ; ELSEF9<=(NOT A9) AND B9; END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<= ; ELSEF9<= END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=A9+(A9 AND NOT B9)+ CN ; ELSE F9<=NOT (A9 AND B9); END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9)+(A9 AND NOT B9)+CN ; ELSE F9<=NOT B9; END IF;WHEN 0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 - B9) - CN ; ELSE F9<=A9 XOR B9; END IF;WHEN 1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9)) - CN ; ELSE F9<=A9 and (NOT B9); END IF;WHEN @0 => IF M='0' THEN F9<=A9 + (A9 AND B9)+CN ; ELSE F9<=(NOT A9)and B9; END IF;WHEN @1 => IF M='0' THEN F9<=A9 + B9 + CN ; ELSE F9<=NOT(A9 XOR B9); END IF;WHEN A0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or(NOT B9))+(A9 AND B9)+CN ;ELSE F9<=B9; END IF;WHEN A1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 AND B9)- CN ;ELSE F9<=A9 AND B9; END IF;WHEN H0 => IF M='0' THEN F9<=(A9 + A9) + CN ; ELSEF9<= END IF;WHEN H1 => IF M='0' THEN F9<=(A9 or B9) + A9 + CN ; ELSEF9<=A9 OR (NOT B9); END IF;WHEN I0 => IF M='0' THEN F9<=((A9 or (NOT B9)) +A9) + CN ; ELSEF9<=A9 OR B9; END IF;WHEN I1 => IF M='0' THEN F9<=A9 - CN ; ELSEF9<=A9 ; END IF;WHEN OTHERS => F9<=END CASE;IF(A9=B9) THEN FZ<='0';END IF;END PROCESS;F<= F9(7 DOWNTO 0) ; CO <= F9(8) ;COUT<=END behav;ALU的原理图：2.微控制器实现信息传送要靠微命令的控制，因此在CPU 中设置微命令产生部件，根据控制信息产生微命令序列，对指令功能所要求的数据传送进行控制，同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。

计算机组成原理CPU设计实验报告

计算机组成原理CPU设计实验报告课程设计题目: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: .................................................................... ................... 8 2.1.5指令的分组及节拍: .................................................................... ..................... 12 2.1.6指令执行状态图:(见下页)..................................................................... ........... 13 2.1.7具体微指令: .................................................................... ............................... 13 2.2 系统整体介绍 ..................................................................... .................. 16 2.2.1系统基本模块划分 ..................................................................... ....................... 16 2.2.2总体结构图:(见下页)..................................................................... (17)3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................... ......18 3.1取指令逻辑的设计 ..................................................................... .. (19)3.1.1指令地址的保存 ..................................................................... (19)3.1.2指令存储器 ..................................................................... .................................. 20 3.1.3下一条指令地址的计算 ..................................................................... ................ 20 3.2指令译码逻辑的设计...................................................................... ...................... 21 3.3指令执行逻辑的设计...................................................................... ...................... 22 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................... ................... 23 3.5结果写回逻辑的设计...................................................................... ...................... 24 3.6单周期CPU的总成...................................................................... (25)4各部分说明 ..................................................................... .............................................26 4.1ALU .................................................................................................................... 26 4.2数据选择器BUS_MUX ................................................................ ........................ 28 4.3器件T1 ..................................................................... .......................................... 30 4.4标志寄存器FLAG_REG ............................................................... ........................ 31 4.5T2: .................................................................... ................................................ 33 4.6程序计数器PC ..................................................................... ............................... 33 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR: .................................................................... .. 34 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择.......................................................................36 4.9一位控制信号/WR .................................................................... ........................... 37 4.10 节拍发生器 ..................................................................... .................................. 37 4.11控制逻辑 ..................................................................... ...................................... 39 4.12T3...................................................................... ................................................ 42 4.13REG_OUT ......................................................................................................... 43 4.14存储器 ..................................................................... .......................................... 44 4.15总线选择器 ..................................................................... .. (45)24.16REG_TEST ............................................................... .. (46)5附录: .................................................................... .. (47)附录A:组员分工: .................................................................... .. (47)附录B:组员设计总结: .................................................................... . (47)31 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。

8位CPU总线采样记录仪的设计

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４２・
《测控技术￣０２年第３２１１卷第２期
８位ＣＵ总线采样记录仪的设计Ｐ
程耀林，魏华兵，伍时促，王锐，陈锟
（中南民族大学电子信息工程学院，湖北武汉４０７）３０４
摘要：计了一种８位ＣＵ总线采样记录仪，５设Ｐ对ｌ单片机总线进行采样，中提取如下４种信息并存从
ＴｈｅＤｅｉｎｆＢｕｔａｐｌｎＳｏｉｎｔｕｍｅｏｓｇｏｓＤａａＳｍｉａｄｔｒｎｇＩｓｒｎｇｎｔｆｒ
ＣＰＵｔ８ｂｉＳｗｉｈ．ｔＢＵ
ＣＨＥＮＧｏｌ，ＥＩＨｕ－ｉｇＷＵＳｉＣ，ＡＮＧｉＣＹａ —ｉＷａｂｎ，ｎｈ— ＵＷＲｕ，ＨＥＫｕＮｎ（ｃｏｌｆｌｔｎｃａｄＩｆｍｔｎＥｇｎｅｉｇＳｕｈＣｎｒｌｎｅｓｙｆｒａｏａｔｓＷｕａ３０４Ｃｉ）Ｓｈｏｏｅｒｉｎｎｒａｉｎｉｒ，ｏｔ— ｅｔｉｒｉｔｎｌｉ，ｈｎ４０７，ｈｎＥｃｏｏｏｅｎａＵｖｔｏＮｉｉｅａ
储：外程序代码和地址、片片外数据存储器的数据和地址。它基于Ａｔａ司提供的Ｄ０开发板，ｌｒ公ｅＥ外接
Ａ８Ｓ２单片机最小系统，Ｔ９５带触摸ＬＤ和ｓＣＤ卡，ＦＧ内实现总线采集模块，同构建了一个ＳＰ在ＰＡ共ＯＣ系统，过在Ｎｏ通ｉＩｓＩ中运行的软件对数据进行存储、处理。测试结果表明，采集的数据可使用ＴＴ文件Ｘ

8位CPU设计与实现

计算机组成原理论文姓名：某某班级：计科一班学号：8位CPU的设计与实现论文CPU 的重要功效是履行指令,控制完成盘算机的各项操纵,包含运算操纵.传送操纵.输入/输出操纵等.作为模子盘算机设计,将重点放在存放器组,采纳较简略的构成模式,以尽量简练的设计帮忙读者控制CPU 的基起源基础理.此次设计CPU就是为了懂得CPU运行的道理,从而完成从指令体系到CPU的设计,并且经由过程仿真对CPU设计进行准确性评定.症结词：CPU,设计指标,电路道理图,运算部件,存放器组,模子机指令体系,微敕令序列,数据通路1. 设计的义务与请求1.1设计指标1. 能实现IN(输入).ADD（二进制加法）.STA（存数）.OUT（输出）.JMP（无前提转移）这五种指令;2. 全部体系能正常稳固工作.1.2 设计请求1. 画出电路道理图;2.写出设计的全进程,附上有关材料和图纸(也可直接写在相干章节中),有心得领会.2. 计划论证与选择CPU的体系计划CPU 重要由算术逻辑单元ALU,数据暂存存放器DR1.DR2,数据存放器R0～R2,程序计数器PC,地址存放器AR,程序/数据存储器MEMORAY,指令存放器IR,微控制器uC,输入单元INPUT 和输出单元OUTPUT 所构成.图中虚线框内部分包含运算器.控制器.程序存储器.数据存储器和微程序存储器等,实测时,它们都可以在单片FPGA 中实现.虚线框外部分主如果输入/输出装配,包含键盘.数码管.LCD 显示器等,用于向CPU 输入数据,或CPU 向外输出数据,以及不雅察CPU 内部工作情形及运算成果.1．运算部件运算部件的义务是对操纵数进行加工处理.重要由三部分构成：（1）输入逻辑.（2）算术/逻辑运算部件ALU.（3）输出逻辑2．存放器组盘算机工作时,CPU 须要处理大量的控制信息和数据信息.例如对指令信息进行译码,以便产生响应控制敕令对操纵数进行算术或逻辑运算加工,并且根据运算成果决议后续操纵等.是以,在CPU 中须要设置若干存放器,临时存放这些信息.在模子CPU中,存放器组由R0.R1.R2 所构成.3．指令存放器指令存放器（IR）指令存放器指令存放器（IR）用来存放当前正在履行的指令,它的输出包含操纵码信息.地址信息等,是产生微敕令的重要逻辑根据.4．程序计数器程序计数器（PC）程序计数器程序计数器也称指令指针,用来指导指令在存储器中的存放地位.当程序次序履行时,每次从主存掏出一条指令,PC 内容就增量计数,指向下一条指令的地址.增量值取决于现行指令所占的存储单元数.假如现行指令只占一个存储单元,则PC 内容加1;若现行指令占了两个存储单元,那么PC 内容就要加2.当程序须要转移时,将转移地址送入PC,使PC 指向新的指令地址.是以,当现行指令履行完,PC 中存放的老是后续指令的地址;将该地址送往主存的地址存放器AR,即可从存储器读取下一条指令.5．地址存放器CPU 拜访存储器,起首要找到须要拜访的存储单元,是以设置地址存放器（AR）来存放被访单元的地址.当须要读取指令时,CPU 先将PC 的内容送入AR,再由AR将指令地址送往存储器.当须要读取或存放数据时,也要先将该数据的有用地址送入AR,再对存储器进行读写操纵.6．标记存放器标记存放器F是用来记载现行程序的运行状况和指导程序的工作方法的,标记位则用来反应当前途序的履行状况.一条指令履行后,CPU 根据履行成果设置响应特点位,作为决议程序流向的断定根据.例如,当特点位的状况与转移前提相符时,程序就进行转移;假如不相符,则次序履行.在后面将要介绍的较庞杂模子盘算机设计中设置了两个标记位：进位Fc.零位Fz.实现信息传送要靠微敕令的控制,是以在CPU 中设置微敕令产生部件,根据控制信息产生微敕令序列,对指令功效所请求的数据传送进行控制,同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理.微敕令产生部件可由若干组合逻辑电路构成,也可以由专门的存储逻辑构成.产生微敕令的方法可分为组合逻辑控制方法和微程序控制方法两种.在本章所介绍的8 位模子CPU 设计中,采取微程序控制方法经由过程微程序控制器和微指令存储器产生微敕令,是以此CPU 属于庞杂指令CISC CPU.盘算机的工作经常是分步履行的,那么就须要有一种时光旌旗灯号作为分步履行的标记,如周期.节奏等.节奏是履行一个单步操纵所需的时光,一个周期可能包含几个节奏.如许,一条指令在履行进程中,根据不合的周期.节奏旌旗灯号,就能在不合的时光发出不合的微敕令完成不合的微操纵.周期.节奏.脉冲等旌旗灯号称为时序旌旗灯号,产生时序旌旗灯号的部件称为时序产生器或时序体系,它由一组触发器构成.由石英晶体振荡器输出频率稳固的脉冲旌旗灯号,也称时钟脉冲,为CPU 供给时钟基准.时钟脉冲经由一系列计数分频,产生所需的节奏（时钟周期）旌旗灯号.时钟脉冲与周期.节奏旌旗灯号和有关控制前提相联合,可以产生所需的各类工作脉冲.模子机指令体系一条指令必须包含下列信息：操纵码.操纵数的地址.操纵成果的存储地址.下一条指令的地址.指令的根本格局op-code 为操纵码,rs为源存放器,rd 为目标存放器存放器操纵数模子机指令体系,及其指令编码情势设模子机指令体系中包含有五条根本指令,分为算术运算指令.存取指令和控制转移指令等三种类型.五条机械指令分离是：IN（输入）.ADD（二进制加法）.STA（存数）.OUT（输出）.JMP（无前提转移）.IN 为单字长（8 位二进制）,其余为双字长指令,XX H 为addr对应的十六进制地址码.拟定指令流程和微敕令序列（盘算机设计中最症结步调）1．微程序控制概念（1）微敕令和微操纵一条机械指令可以分化成一个微操纵序列,这些微操纵是盘算机中最根本的,不成再分化的操纵.在微程序控制的盘算机中,将控制部件向履行部件发出的各类控制敕令叫做微敕令,它是构成控制序列的最小单位.是以,微敕令是控制盘算机各部件完成某个根本微操纵的敕令.微敕令和微操纵是一一对应的.微敕令是微操纵的控制旌旗灯号,微操纵是微敕令的操纵进程.微敕令有兼容性和互斥性之分.兼容性微敕令是指那些可以同时产生,配合完成某一些微操纵的微敕令;而互斥性微敕令是指在机械中不许可同时消失的微敕令.兼容和互斥都是相对的,一个微敕令可以和一些微敕令兼容,和另一些微敕令互斥.对于单独一个微敕令,就无所谓兼容性或互斥性了.（2）微指令.微地址微指令是指控制存储器中的一个单元的内容,即控制字,是若干个微敕令的聚集,存放控制字的控制存储器的单元地址就称为微地址.一条微指令平日至少包含两大部分信息：微操纵码字段,又称操纵控制字段,该字段指出微指令履行的微操纵;微地址码字段,又称次序控制字段,指出下一条要履行的微指令的地址.（3）微周期所谓微周期是指从控存中读掏出一条微指令并履行划定的响应操纵所需的时光.（4）微程序一系列微指令的有序聚集就是微程序.若干条有序的微指令构成了微程序.微程序可以控制实现一条机械指令的功效.或者说一条机械指令可以分化为特定的微指令序列.一旦机械的指令体系肯定今后,每条指令所对应的微程序被设计好并且存入控存后,控存老是处于只读的工作状况,所以控存一般采取只读存储器（ROM）存放.从新设计控存内容就能增长.删除.修正机械指令体系.在FPGA 中平日采取嵌入式阵列块构成的LPM_ROM 作为控存,存放微指令.（1）程度型微指令一次能界说并履行多个并行操纵微敕令的微指令.按照操纵控制字段的编码办法不合,程度型微敕令又分为三种：第一种是全程度型（不译码法）微指令,第二种是字段译码法程度型微指令,第三种是直接和字段译码相混杂的程度型微指令.（2）垂直型微指令垂直型微指令中设置操纵码字段,由微操纵码划定微指令的功效.垂直型微指令的构造相似于机械指令的构造.在一条微指令中只存一二个微敕令,每条微指令的功效比较简略.是以,实现一条机械指令的微程序要比程度型微指令编写的微程序长得多,它是采取较长的微程序构造去换取较短的微指令构造.3.模子机的微指令uA5～uA0：微程序控制器的微地址输出旌旗灯号,是下一条要履行的微指令的微地址.S3.S2.Sl.S0：由微程序控制器输出的ALU 操纵选择旌旗灯号,以控制履行16 种算术操纵或16 种逻辑操纵中的某一种操纵.M：微程序控制输出的ALU 操纵方法选择旌旗灯号.M＝0 履行算术操纵;M＝l履行逻辑操纵：微程序控制器输出的进位标记旌旗灯号,Cn＝0 暗示ALU 运算时最低位有进位;Cn＝1 则暗示无进位. WE：微程序控制器输出的RAM 控制旌旗灯号.当CE＝0 时,如WE＝0,为存储器读;如WE＝1,为存储器写.A9.A8：译码后产生CS0.CS1.CS2 旌旗灯号,分离作为SW_B.RAM.LED 的选通控制旌旗灯号.A 字段（15.14.13）：译码后产生与总线相衔接的各单元的输入选通讯号.B 字段（12.11.10）：译码后产生与总线相衔接的各单元的输出选通讯号.C 字段（9.8.7）：译码后产生分支断定测试旌旗灯号P（1）~P （4）和LDPC 旌旗灯号.履行一条微指令的进程相似于机械指令的履行进程.起首,将微指令从控存CM 中掏出,称为取微指令.对于垂直型微指令还应包含微操纵码的译码时光.然后,履行微指令所划定的各个微操纵.根据微指令的履行方法可分为串行履行和并行履行两种.5.时序安插因为CPU 的工作是分步进行的,并且须要严厉准时控制,是以设置时序旌旗灯号,以便在不合的时光发出不合的微敕令,控制完成不合的操纵.组合逻辑控制方法和微程序控制方法在时序安插上有差别,前者多采取三级时序划分,尔后者往往采取两级时序.这是设计中最症结的步调,这是因为须要根据这一步的设计成果形成最后的控制逻辑.拟定指令流程是将指令履行进程中的每步传送操纵（存放器之间的信息传送）,用流程图的情势描写出来,拟定微敕令序列是用操纵时光表列出每步操纵所需的微敕令及其产生前提.7．形成控制逻辑设计的最后一步.采取组合逻辑控制方法或采取程序控制方法,有各自不合的设计办法.在组合逻辑控制方法中,将产生微敕令的前提进行分解.化简,形成逻辑式,从而构成控制器的焦点逻辑电路.在微程序控制方法中,则是根据微敕令来编写微指令,构成微程序,从而构成以控制存储器为焦点的控制逻辑.2.4 微程序设计1．IN指令为了履行输入指令,CPU 要做两件工作.起首,由INPUT 输入装配的数据开关SW输入数据送到数据总线上;其次,经由过程数据总线将输入的数据写入存放器R0 中.2．ADD指令 R0←R0+(MEM)存储单元的地址是存放在紧跟在操纵码后的字节中的,是以,起首要以该字节的内容为地址,即将该单元内容送地址存放器AR;然后,从AR 所指向的RAM 存储单元掏出操纵数送给DR2.因为在取指令操纵码时,PC 已经主动加1,指向下一字节,该地址就是存放操纵数的存储单元的地址.3．STA指令向存储器RAM 写数据操纵STA,以紧跟在操纵码后的字节作为存放操纵数地址,将R0 中的数据存入该地址单元.起首将紧跟在操纵码后的字节的内容送给地址存放器AR.4. OUT指令AR←PC,PC←PC+1;以PC的内容作为存数据的地址BUS←RAM,AR←BUS;AR指向存放操纵数的RAM单元BUS←RAM,DR1←BUSOUT←DR15．JMP指令AR←PC,PC←PC+1 ;以PC的内容作为取数据的地址BUS←RAM,PC←BUS ;将RAM内容送PC,实现程序转移3. CPU设计及微代码3.1 道理图模版取指令阶段完成的义务是将现行指令从主存中掏出来并送至指令存放器中.具体的操纵如下：（1）将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址存放器（AR）,并送往地址总线（AB）.（2）PC 的内容递增,为取下一条指令做好预备.（3）由控制单元（CU）经控制总线（CB）向存储器发读敕令.（4）从主存中掏出的指令经由过程数据总线（DB）送到指令存放器（IR）中.以上这些操纵对任何一条指令来说都是必须要履行的操纵,所以称为公共操纵.完成取指阶段义务的时光称为取指周期.掏出指令后,指令译码器ID 可辨认和区分出不合的指令类型.此时盘算机进入剖析取数阶段,以获取操纵数.因为各条指令功效不合,寻址方法也不合,所以剖析取数阶段的操纵是各不雷同的.（5）指令存放器（IR）中的内容送指令译码器（ID）进行指令译码.（6）指令译码器（ID）的内容送操纵控制器.（7）操纵控制器产生履行指令的微控制.2. 剖析取数阶段对于无操纵数指令,只要辨认出是哪条具体的指令,即可以直接转至履行阶段,所以不需进入剖析取数阶段.而对于带操纵数指令,为读取操纵数起首要盘算出操纵数的有用地址.假如操纵数在通用存放器内,则不须要再拜访主存;假如操纵数在主存中,则要到主存中去取数.对于不合的寻址方法,有用地址的盘算办法是不合的,有时要多次拜访主存才干掏出操纵数（间接寻址）.对于无操纵数指令,只要辨认出是哪条具体的指令,即可以直接转至履行阶段,所以不需进入剖析取数阶段.而对于带操纵数指令,为读取操纵数起首要盘算出操纵数的有用地址.假如操纵数在通用存放器内,则不须要再拜访主存;假如操纵数在主存中,则要到主存中去取数.对于不合的寻址方法,有用地址的盘算办法是不合的,有时要多次拜访主存才干掏出操纵数（间接寻址）.别的对于单操纵数指令和双操纵数指令,因为须要的操纵数的个数不合,剖析取数阶段的操纵也不合.3. 履行阶段履行指令阶段完成指令划定的各类操纵.履行阶段完成义务的时光称为履行周期.盘算机的根本操纵进程就是取指令.取操纵数.履行指令,然后再取下一条指令……如斯周而复始,直至碰到停机指令或外来的干涉为止.微程序流程图是根据每条指令的微操纵流程所绘制的,操纵框内给出的是该微操纵要履行的动作.当拟定“取指”微指令时,该微指令的判别测试字段为P（1）测试,根据P（1）的测试成果将消失多路分支.因为操纵码的位数已肯定为4 位,所以可直接将操纵码与微地址码的部分对应.本模子机用指令存放器（IR7～IR0）的高4 位（IR7～IR4）与微地址码的后4 位对应.模子机的微地址码共有六位,微地址码的高三位已固定为001,低三位从000～111 共有八种状况,现设计了五条指令,须要五个分支进口,是以,将低三位中的000B～100B 这五个地址分派给这五条指令,就得到五个分支进口微地址.这五个分支进口（以八进制暗示）分离是10.11.12.13 和14,占用五个固定的微地址单元.其余的微操纵单元的微地址设置,可以将还未应用的微地址按照从小到大的次序依次分派给这些微操纵单元,微地址的分派情形见图5-4.微地址标注在每个微操纵框的左上角,右上角标注的是微指令码.ALU 为运算器;DR0 和DR1 为其输入端的两个暂存存放器;R0 是数据存放器,用来保管数据和运算成果;PC 为程序计数器;IR 和ID分离为指令存放器和指令译码器;AR 和MOMERY 分离为存储地址存放器和存储数据存放器;INPUT 为输入装配;OUTPUT 为输出装配.各根本单元模块的输出端经由过程三态门控制与内部数据总线相衔接;微控制器按照时序产生器的节奏,对指令进行译码后产生同步的控制旌旗灯号.各部件旁边的C 是由微指令译码器输出的控制旌旗灯号,用于控制数据的输入和输出.与数据总线相连的旌旗灯号有些是单向的,有些则是双向的.如数据存放器.存储器.I/O 接口的数据旌旗灯号是双向的,而指令旌旗灯号.地址旌旗灯号.控制旌旗灯号是单向的.现实上在FPGA 中,双向端口元件的表述办法是：输入和输出端口采取两个不合的端口,这时各根本元件的输出端口不克不及直接与内部总线衔接在一路,而是须要经由过程三态门控制今后再衔接到总线上.在向总线输出数据时,不克不及同时有两路或两路以上数据一路输出,不然会产生数据冲突.是以在设计微程序.肯定微操纵时,应留意数据传输中控制旌旗灯号对时序的请求.3.5 微程序控制的基起源基础理3.6 在模子CPU中的软件履行微指令履行情形经由过程此次的设计,我受益匪浅.起首,我对CPU有了根本熟悉,熟悉它的道理,构造,运行;其次,我对微指令的熟悉也有了进一步进步,特殊是指令对应的功效以及对指令的懂得;再次,我对该部件的道理及功效运行有了必定层次的懂得;最后,我必须承认,不管碰到什么问题都要从底层抓起,然后去解决问题,当我对某些器械不懂时,要从书本的最根本概念看起,再到道理,运行层次,构造等去懂得才干真正懂,还有和他人的交换很重要,不懂的问题彼此交换看法可以受益匪浅.我很感激此次机遇让我有了一次锤炼.参考文献：[1] 潘松潘明. 现代盘算机构成道理. 科学出版社.[2] 王爱英.盘算机构成与构造（第四版）.清华大学出版社.。

CPU设计

作业：10、解：对非常简单CPU增加了一条CLEAR指令后的新的状态图如下：其RTL代码如下：FETCH1：AR PCFETCH2：DR M, PC PC+1FETCH3：IR DR[7..6], AR DR[5,0]ADD1：DR MADD2：AC AC+DRAND1：DR MAND2：AC AC^DRJMP ：PC DR[5..0]R5 ：DR[5] 1 或DR[5] 0INC ：AC AC+1CLEAR：AC 011、解：一、确定CPU的用途以下设计的CPU是要用来执行取反运算、加法运算、逻辑或运算、减法运算这四条指令的，而且该CPU能够访问64个字的存储器，每个字为8位宽。

字长：8位D[7....0]寻址范围：64Btye ，2^6=64，A[5....0]二、确定ISA1、程序员可访问的寄存器在下表中，为了完成COM , JREL , OR 和SUB1这四条指令，显然我们只需用到一个通用寄存器AC——8位累加器就可以实现。

指令操作码操作COM 00XX XXXX AC AC' (取反）JRET 01AA AAAA PC PC+00AA AAAAOR 10AA AAAA AC AC^M[00AA AAAA]SUB1 11AA AAAA AC AC—M[00AA AAAA]—12、CPU还需要一些其他的寄存器以便完成取指令（或数据）、译码和执行指令所必须的内部操作，最基本的寄存器有：AR（地址寄存器）——6位，由A[5.....0]向存贮提供地址PC （程序计数器）——6位，指出下一条指令的地址DR（数据寄存器）——8位，通过D[7....0]从存贮器接受指令和数据IR（指令寄存器）——2位，存放从存贮器中取回的指令的操作码部分。

三、为CPU设计状态图为了确定CPU的状态图，需对每条指令作如下分析：1、从存贮器取出指令（所有指令都相同）2、指令译码3、指令执行从存贮器中取出指令：1、原理：根据冯. 诺依曼型机的原理（指令在存贮器中按顺序存放.......）, 在CPU能执行指令之前，它必须将这条指令从存贮中取出，CPU通过执行如下的操作序列完成这个任务的:【1】选择存贮单元由A[5... 0]确定【2】对A[5... 0]译码、延迟、并向存贮器发一个信号（如READ或R/W'=1),使存贮器将此指令输出到它的输出引脚。

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PC、IR、时序发生器（即TIMER）、控制单元
AR

在分析这些模块时，先分析它的功能，然后分析输入输出信号，最后分析其实现逻辑在完成这些分析后，结合数据通路，分析各条指令的执行流程，以加深对CPU原理的理解

运算器ALU
◦ 功能：对两个16位的输入及低位进位输入cin，根据运算功能进行运算，产生相应的结果，并更改标志位
SELECT DESTINATION REGISTER
CIN ALU_OUT (15...0)
SELECT SOURCE REGISTER
REGISTER GROUP
ALU
SR (15...0) DR (15...0)
ALU_OUT (15...0)
BUS_MUX
ALU_A (15...0) ALU_B (15...0)
送往数据总线
内存
CLK
TIMER
IR(15)
IR (R63)
REC(1...0)
AR (R17)
ALU_OUT (15...0)
PC (R62)
ALU_OUT (15...0)
EN
INSTRUCTION (15...0)
TIMER(2...0)
控制器
ALU_FUNC (2...0) STT(1...0) SCI (1...0)

寄存器组
◦ 功能：实现寄存器的读和写，写时在时钟上升沿根据DR和 REG_EN写入一个数据，读时根据SR和DR同时读出两个数据。此外，为方便测试，尚需根据寄存器选择编号读出对应寄存器的数值 ◦ 输入输出信号：
输入信号：reset, clk, dest_reg, src_reg, en, alu_out, reg_sel 输出信号：sr, dr, reg_out 16位通用寄存器组
I2I1I0
/WR REC
000
100
000
1
01
AR<-PC,PC<PC+1
注释

第2拍：从内存取出指令
◦ 对应节拍：001 ◦ 动作：IR <- Mem ◦ 控制信号：
为了控制内存读，/wr应该设置为/wr=1 为了将从Mem读出的指令打入IR，控制IR的REC应设成 REC=10 其它保持缺省值
◦ 其它控制信号按缺省值设置即可
如控制标志位的SST，令保持原来标志即可，此时SST=11 控制寄存器写的REG_EN，不用写，保持REG_EN=0 控制内存写的/wr，不用写，令/wr=1

综合上述控制信号值，可得：
指令编码
节拍
Sci SST I7I6 01 11 10
I5I4I3
reset clk en sr[15..0] dest_reg[3..0] dr[15..0] source_reg[3..0] reg_out[15..0] alu_out[15..0] reg_sel[3..0]
◦ 逻辑框图
◦ 功能实现思路
设计两个功能模块：一为reg，一为reg_mux 调用16个reg和1个reg_mux连接起来，即形成寄存器组参考基础实验4的方案2文档

（1）单字单操作数指令
15 8 7 4 3 0
OPCODE OPCODE
DEST_REG 0000 OFFSET
包括：DEC,INC,SHL,SHR,JR,JRC,JRNC,JRZ,JRNZ, JRS,JRNS
（2）单字双操作数指令
15 8 7 4 3 0
OPCODE
DEST_REG
◦ 操作控制（一条指令有若干操作信号实现） ◦ 时间控制（指令各个操作实施时间的定时） ◦ 数据加工（算术运算和逻辑运算）
4
C1
数存
cache
数据
70 100 66 77 … 40
指存
地址
101 102 103 104 105 106 107
cache
OP码
MOV LAD ADD STO JMP AND
ALU_func 000 001 010 011 100 101 110 进位输出c 若x”FFFF”-Bcin>A成立， c=1；否则c=0 溢出v 符号位s 若A、B的最高位为1（或0），但 alu_out最高位为0 （1），则v=1；若A<B成立，若alu_out 若否则 v=0 c=1；否则c=0 alu_out=x”000 的最高位 0”成立，z=1；无溢出，v=0 为1，则s=1；否则为0 否则s=0 无进位 c为最高位 c为最低位结果为零z
◦ 因此，此时的控制信号集合为：
001
节拍
指令编码
Sci SST I7I6 00 11 00
I5I4I3
000
I2I1I0
000
/WR REC
1
10
注释
IR<-Mem

第3拍：执行加法运算
◦ 节拍：011 ◦ 动作： R0<-R0+R1 ◦ 控制信号：
ALU运算的数据源自于寄存器，因此ALU_IN_SEL=000 执行加法运算，因此ALU_FUNC_SEL=000 初始进位Cin必须为0，因此SCI=00 完成运算后，结果会影响标志位，因此SST=00 运算结果要保存到寄存器中，因此REG_EN=1 其它控制信号按缺省值设置，即/wr=1和REC=00
000 000 000 001 010
1 1 1 1 1
注释 AR<-PC,PC<PC+1 IR<-MEM
DR<-DR+SR DR<-DR-SR
DR<-DR and SR

举例说明如何控制，以ADD R0,R1为例第1拍：提供指令地址
◦ 对应节拍000 ◦ 动作：PC->AR, PC+1->PC ◦ 控制信号：
◦ 输入输出信号：
输入信号为：A、B、cin、alu_func 输出信号为：Y、C、Z、V、S
◦ 逻辑框图
功能实现思路
根据alu_func进行相应的运算，如alu_func为000时进行加法运算，001时进行减法运算，如此类推根据运算结果，对标志符号C、Z、V、S进行相应的更新参考基础实验2的方案2文档

设计指令前了解现实需求，并将其中必不可少、使用频率较大的需求设计为指令确定指令格式，如OP和地址码分别如何设计 OP码常用固定长度，根据指令条数来确定确定地址码有几个，分别应该是多长指令分类及其对应的格式：单字长、双字长指令功能分组及OP码分配，形成指令总表不同组指令的执行时长不等，为提高效率，进行时序分析与设计，以状态机形式反映
ALU
地址
5 6 7
地址码
R0,R1 R1,6 R1,R2 R2,(R3) 101 R1,R3
R0
10 … 30 31
R1
R2 R3 AR
数据
数据缓冲寄存器
地址总线
PC
指令
地址总线
地址寄存器
程序计数器
状态字寄存器
C1 C2 C3 Cn
C2
时序发生器操作控制器 OC
指令译码器
控制信号
IR
OP码
地址码
5
指令寄存器

回顾冯· 诺依曼CPU结构及工作原理 16位实验CPU的设计与实现将16位实验CPU的改造成8位的实验CPU 评分标准

下面以16位的实验CPU为例进行回顾，说明设计实现过程的思路和方法
1. 2. 3. 4. 5. 6.
设计指令系统确定CPU的结构图确定控制信号分析各个主要模块的功能及设计方法编程实现组装测试
0000
（5）双字双操作数指令
15 8 7 4 3 0
OPCODE
DEST_REG
0000
DATA
包括：MVRD
由于没有中断操作，本机指令的执行步骤可概括如下：读取指令：
◦ 地址寄存器<-指令地址，修改PC内容使其指向下一条将要执行的指令 ◦ 读内存，指令寄存器<-读出的内容

分析指令
◦ 执行指令：通用寄存器之间的运算或传送，可1步完成读写内存，通常要两步完成
FLAG ALU输出 AIsel <控制AR,IR接收 > BusSel <选择总线数据来源>
AR(地址寄存器)
IR( 指令寄存器) 符号扩展
Bus
寄存器数据<调试用>
MUX
地址总线
wrMem <内存读写>
数据总线
/WR
（来自数据总线）
MEM_DATA (15...0)
ห้องสมุดไป่ตู้
送往地址总线
ADR (15...0)
王春桃

回顾冯· 诺依曼CPU结构及工作原理 16位实验CPU的设计与实现将16位实验CPU的改造成8位的实验CPU 评分标准

存储器
输入
运算器
输出
控制器数据信号控制信号地址信号
2015/12/12
3
1. CPU的功能
取指令执行指令
操作控制、时间控制
◦ 指令控制（程序的顺序控制）
◦ 因此，控制信号集合为：
011
节拍
指令编码
Sci SST I7I6 00 00 01
I5I4I3
000
I2I1I0
000
/WR REC
1
00
注释
DR<-SR+DR