### 基于FPGA的PARWANCPU状态机设计及数字系统构建
#### 一、PARWANCPU状态机设计概述
PARWANCPU状态机设计是基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)的一种数字系统设计方法。FPGA是一种高度可编程的集成电路芯片，它可以被重新配置来执行任何数字逻辑操作。PARWANCPU状态机设计主要涉及CPU控制部分的状态机设计与实现，通过不同的状态转换来控制CPU执行各种指令。
#### 二、PARWANCPU状态机的设计目标与功能
##### 目标
- **设计目标**：设计Parwan的Control Section内部状态机，包括s1至s9的状态，并完成功能仿真。
- **功能仿真**：通过功能仿真验证状态机的设计是否正确，能否按预期的方式进行状态转换。
##### 功能
- 控制CPU执行指令流程，包括但不限于加载寄存器、地址寄存器、程序计数器等的控制。
- 提供必要的控制信号用于数据总线、地址总线等的管理。
- 支持基本的算术逻辑单元(ALU)操作控制。
- 处理中断请求等功能。
#### 三、PARWANCPU状态机设计与实现
##### 设计过程
1. **创建工程**
- 使用ISE13.x软件新建项目，指定工程名称和路径。
- 选择使用的FPGA芯片型号，如Spartan3EXC3S500E。
- 完成工程配置。
2. **测试文件**
- 新建VHDL Test Bench文件，命名为par_control_unit_tb。
- 设置关联文件，以便在仿真时能够正确引用到状态机的设计文件。
3. **状态机实现**
- 定义状态变量present_state和next_state。
- 使用case语句实现状态转移逻辑。
- 定义输出类型接口present_state_value，用于输出当前状态值，方便调试和分析。
```vhdl
-- 状态机实现示例
process(present_state, ir_lines, status)
begin
case present_state is
when s1 =>
if ir_lines = "0001" then
next_state <= s2;
else
next_state <= s3;
end if;
when s2 =>
next_state <= s4;
when s3 =>
next_state <= s5;
when s4 =>
next_state <= s6;
when s5 =>
next_state <= s7;
when s6 =>
next_state <= s8;
when s7 =>
next_state <= s9;
when s8 =>
next_state <= s1; -- 回到初始状态
when s9 =>
next_state <= s1; -- 回到初始状态
when others =>
next_state <= s1; -- 默认回到初始状态
end case;
end process;
```
4. **控制信号输出**
- 根据状态机的不同状态输出相应的控制信号，如load_ac、zero_ac等。
- 定义ALU的操作控制信号，如alu_and、alu_not等。
- 输出内存控制信号read_mem和write_mem。
```vhdl
-- 控制信号输出示例
process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
if present_state = s2 then
load_ac <= '1';
else
load_ac <= '0';
end if;
-- 其他控制信号类似处理
end if;
end process;
```
5. **功能仿真**
- 使用ISE提供的仿真工具进行功能仿真，验证状态机的正确性。
- 分析仿真结果，确保状态机能够在不同状态下正确地进行转换。
#### 四、实验过程与截图
在实验过程中，需要按照上述步骤创建工程、编写测试文件、实现状态机以及进行功能仿真。实验完成后还需要截取关键步骤的截图，如状态机设计代码、仿真结果等，以便于报告撰写。
#### 五、总结
通过上述设计和实现过程，我们可以看到基于FPGA的PARWANCPU状态机设计不仅能够实现对CPU控制部分的有效管理，还能通过功能仿真验证设计的正确性。这种设计方法在数字系统设计领域具有广泛的应用前景。
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