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cpu设计-设计思路,vhdl源码等
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2012-06-09
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通过设计一个简化的计算机模型,培养利用有限状态机的概念设计复杂电路的思维,在设计过程中体会VHDL的RTL风格描述以及EDA工具Quartus的使用方法。同时了解CPU的控制原理与控制过程 通过动脑和动手解决数字逻辑设计中的实际问题,明确,巩固和灵活应用所学的理论知识,提高设计能力和实践操作技能。
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目 录
目 录....................................................................................................................................................0
1 目的..................................................................................................................................................0
2 任务要求..........................................................................................................................................0
3 设计思路..........................................................................................................................................2
3.1 模型机总体设计...................................................................................................................2
3.2 CPU 设计..............................................................................................................................4
3.2.1 处理器功能................................................................................................................4
3.2.2 状态转换及操作........................................................................................................6
4VHDL 源码.......................................................................................................................................9
5 测试与模拟....................................................................................................................................17
5.1 测试程序 1..........................................................................................................................17
5.2 测试程序 2..........................................................................................................................18
6 结果分析........................................................................................................................................20
1 目的
通过设计一个简化的计算机模型,培养利用有限状态机的概念设计复杂电路
的思维,在设计过程中体会 VHDL 的 RTL 风格描述以及 EDA 工具 Quartus 的使用
方法。同时了解 CPU 的控制原理与控制过程
通过动脑和动手解决数字逻辑设计中的实际问题,明确,巩固和灵活应用所
学的理论知识,提高设计能力和实践操作技能。
2 任务要求
设计一个简化的处理器 (字长 8 位),并使其与内存 MEM 连接,协调工作。
用 VHDL 以 RTL 风格描述。该处理器当前执行的指令存放在指令寄存器 IR 中,
数字系统自动设计实习——CPU 设计
指令格式示于图 1。处理器的指令集示于表 1 (仅算逻指令和访问内存指令)。
图 1 模型机的指令格式
表 1 模型机的指令集
操作码 OP
IR (15..12)
指令
格式
指令的助记符 操作的内容
0000 3 Idle
无操作, PC := PC+1; (为取下一条指令准备地址)
0001 2 Load Data
R0 I ; (立即数 I 送 R0 ) PC := PC+1;
0010 1 Move Rx, Ry
Rx (Ry); PC :=
PC+1;
0011 1 Add Rx, Ry
Rx (Rx) + (Ry); PC :=
PC+1;
0100 1 Sub Rx, Ry
Rx (Rx) – (Ry); PC :=
PC+1;
0101 1 AND Rx, Ry
Rx (Rx) AND (Ry); PC :=
PC+1;
0110 1 OR Rx, Ry
Rx (Rx) OR (Ry); PC :=
PC+1;
0111 1 XOR Rx, Ry
Rx (Rx) XOR (Ry); PC :=
PC+1;;
1000 1 Shr Rx
Rx (Rx)逻辑右移 1 位 ; PC :=
PC+1;
1001 1 Shl Rx
Rx (Rx)逻辑左移 1 位 ; PC :=
PC+1;
1
数字系统自动设计实习——CPU 设计
1010 1 Swap Rx, Ry A (Ry);
Ry (Rx);
Rx (A);
PC :=
PC+1;
1011 4 Jmp Addr
PC :=
PC+1;
取本指令的后半部;
PC Addr; (为取下一条指令准备地址)
1100 4 Jz Addr
PC :=
PC+1;
取本指令的后半部;
if (R0)= 0 then PC Addr
else PC :=
PC+1; (为取下一条指令准备地址)
1101 4 Read Addr
PC :=
PC+1;
取本指令的后半部;
R0 ( addr ); (从内存指定地址取数据)
PC :=
PC+1; (为取下一条指令准备地址)
1110 4 Write Addr
PC :=
PC+1;
取本指令的后半部;
Addr (R0); (把 R0 的内容写入内存指定地址)
PC := PC+1; (为取下一条指令准备地址)
1111 3 Stop
无操作,PC 保持不变;
3 设计思路
3.1 模型机总体设计
编写 CPU 模块,调用库元件 lpm_ram_dq 作为内存,按照二者的连接关系
(如图 2 所示),在顶层文件中形成简化的模型机 computer(如图 3 所示)。
2
数字系统自动设计实习——CPU 设计
图 2 处理器和内存 (lpm_ram_dq)之间的连接关系
图 3 设计完成的 computer
其时序关系如下:
访问内存之前,需要先把地址送到 MAR,再送到访问内存的地址总线
3
数字系统自动设计实习——CPU 设计
M_address,供内存使用;
(1)如果是向内存写数据,需要把数据送到 MDR,再送到访问内存的数据总
线 M_data_out;然后发出写入数据的命令,令 Write_Read= 1 ,内存接到命令后
将 M_data_out 的数据写入到 M_address 所指定的存储单元。
(2)如果是从内存读取数据,需要发出读取数据的命令,令 Write_Read = 0,
内 存 接 到 命令后将 M_address 所 指 定 存 储单元的 的 内 容 送到内存 数 据 总 线
M_data_in,供处理器读取到 MDR。
3.2 CPU 设计
3.2.1 处理器功能
为实现指令集的要求,做出处理器功能框图(如图 4 所示),其中包括:
(1) 4 个 8 位通用寄存器 (R0,R1,R2,R3),用 Rx (或 Ry)表示其中某一个寄
存器;
(2) 1 个 8 位累加器 A;
(3) 1 个 12 位程序计数器 PC;
(4) 1 个 16 位指令寄存器 IR;
(5) 12 位地址寄存器 MAR 和 8 位数据寄存器 MDR。
4
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aveisay
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