1、 計(jì)算機(jī)組成原理 實(shí)驗(yàn)題目 8位CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) 1115106046 姓 名 魏忠淋 班 級(jí) 11電子B 班 指導(dǎo)老師 凌朝東 華僑大學(xué)電子工程系8位CPU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 實(shí)驗(yàn)要求與任務(wù)完成從指令系統(tǒng)到CPU的設(shè)計(jì),編寫(xiě)測(cè)試程序，通過(guò)運(yùn)行測(cè)試程序?qū)PU設(shè)計(jì)進(jìn)行正確性評(píng)定。具體內(nèi)容包括：典型指令系統(tǒng)（包括運(yùn)算類、轉(zhuǎn)移類、訪存類）設(shè)計(jì)；CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；規(guī)則文件與調(diào)試程序設(shè)計(jì);CPU調(diào)試及測(cè)試程序運(yùn)行。 1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)能實(shí)現(xiàn)加減法、左右移位、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存取、有無(wú)條件跳轉(zhuǎn)、內(nèi)存訪問(wèn)等指令； 1.2設(shè)計(jì)要求 畫(huà)出電路原理圖、仿真波形圖；二、CPU的組成結(jié)構(gòu)3、 元器件的選擇 1。運(yùn)算部件

2、(ALU） ALU181的程序代碼:LIBRARY IEEE；USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED。ALL;ENTITY ALU181 IS PORT （ 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

3、 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);BEGIN A9 = 0 A ; B9 <= 0' & B ； PROCESS(M，CN,A9,B9) BEGIN C

4、ASE S IS WHEN ”0000" = IF M=0 THEN F9=A9 + CN ； ELSE F9<=NOT A9； END IF; WHEN "0001” => IF M='0 THEN F9<=（A9 or B9) + CN ; ELSE F9=NOT(A9 OR B9); END IF； WHEN ”0010” = IF M=0' THEN F9<=(A9 or (NOT B9)+ CN ； ELSE F9<=（NOT A9) AND B9; END IF； WHEN "0011” = IF M=&#

5、39;0' THEN F9<= "000000000" CN ; ELSE F9<="000000000”； END IF； WHEN ”0100" = IF M=0' THEN F9=A9+（A9 AND NOT B9）+ CN ; ELSE F9=NOT (A9 AND B9); END IF； WHEN ”0101” = IF M='0 THEN F9<=（A9 or B9）+(A9 AND NOT B9）+CN ； ELSE F9=NOT B9; END IF; WHEN ”0110" = IF

6、 M=0 THEN F9<=（A9 - B9） CN ； ELSE F9<=A9 XOR B9; END IF; WHEN ”0111" => IF M='0' THEN F9<=（A9 or (NOT B9） CN ; ELSE F9=A9 and (NOT B9); END IF; WHEN "1000" => IF M=0 THEN F9<=A9 + (A9 AND B9)+CN ； ELSE F9=(NOT A9)and B9; END IF； WHEN "1001” => IF M=0&

7、#39; THEN F9=A9 + B9 + CN ; ELSE F9=NOT（A9 XOR B9）； END IF； WHEN "1010" = IF M='0 THEN F9=（A9 or（NOT B9)）+(A9 AND B9）+CN ； ELSE F9=B9; END IF; WHEN ”1011” = IF M=0' THEN F9<=（A9 AND B9）- CN ； ELSE F9=A9 AND B9； END IF； WHEN "1100" = IF M=0' THEN F9=（A9 + A9） + CN ；

8、 ELSE F9<= ”000000001”； END IF; WHEN ”1101" => IF M=0' THEN F9<=（A9 or B9） + A9 + CN ; ELSE F9<=A9 OR （NOT B9）; END IF； WHEN "1110" = IF M='0' THEN F9=(A9 or (NOT B9)） +A9) + CN ; ELSE F9=A9 OR B9; END IF; WHEN "1111” = IF M='0 THEN F9<=A9 - CN ； EL

9、SE F9=A9 ; END IF; WHEN OTHERS = F9<= "000000000” ; END CASE； IF(A9=B9） THEN FZ<='0'；END IF;END PROCESS； F<= F9(7 DOWNTO 0) ； CO = F9（8) ; COUT="0000" WHEN F9(8)='0' ELSE ”0001"END behav； ALU的原理圖： 2。微控制器實(shí)現(xiàn)信息傳送要靠微命令的控制，因此在CPU 中設(shè)置微命令產(chǎn)生部件，根據(jù)控制信息產(chǎn)生微命令序列，對(duì)指令功能

10、所要求的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行控制,同時(shí)在數(shù)據(jù)傳送至運(yùn)算部件時(shí)控制完成運(yùn)算處理。微命令產(chǎn)生部件可由若干組合邏輯電路組成,也可以由專門的存儲(chǔ)邏輯組成。產(chǎn)生微命令的方式可分為組合邏輯控制方式和微程序控制方式兩種。在本章所介紹的8 位模型CPU 設(shè)計(jì)中,采用微程序控制方式通過(guò)微程序控制器和微指令存儲(chǔ)器產(chǎn)生微命令,因此此CPU 屬于復(fù)雜指令CISC CPU。 微控制器的原理圖： 3。寄存器組計(jì)算機(jī)工作時(shí)，CPU 需要處理大量的控制信息和數(shù)據(jù)信息。例如對(duì)指令信息進(jìn)行譯碼，以便產(chǎn)生相應(yīng)控制命令對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算加工，并且根據(jù)運(yùn)算結(jié)果決定后續(xù)操作等。因此，在CPU 中需要設(shè)置若干寄存器，暫時(shí)存放這些信息。在模

11、型CPU中,寄存器組由R0、R1、R2所組成。 寄存器組的原理圖:3。地址寄存器CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)器，首先要找到需要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元,因此設(shè)置地址寄存器（AR）來(lái)存放被訪單元的地址.當(dāng)需要讀取指令時(shí)，CPU 先將PC 的內(nèi)容送入AR，再由AR將指令地址送往存儲(chǔ)器。當(dāng)需要讀取或存放數(shù)據(jù)時(shí)，也要先將該數(shù)據(jù)的有效地址送入AR，再對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作. 地址寄存器的原理圖： 4。指令寄存器指令寄存器（IR)用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令,它的輸出包括操作碼信息、地址信息等，是產(chǎn)生微命令的主要邏輯依據(jù)。 指令寄存器的原理圖： 5.程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器（PC）也稱指令指針，用來(lái)指示指令在存儲(chǔ)器中的存放位置。當(dāng)程序

12、順序執(zhí)行時(shí),每次從主存取出一條指令，PC 內(nèi)容就增量計(jì)數(shù),指向下一條指令的地址。增量值取決于現(xiàn)行指令所占的存儲(chǔ)單元數(shù).如果現(xiàn)行指令只占一個(gè)存儲(chǔ)單元，則PC 內(nèi)容加1；若現(xiàn)行指令占了兩個(gè)存儲(chǔ)單元,那么PC 內(nèi)容就要加2。當(dāng)程序需要轉(zhuǎn)移時(shí)，將轉(zhuǎn)移地址送入PC,使PC 指向新的指令地址.因此，當(dāng)現(xiàn)行指令執(zhí)行完，PC 中存放的總是后續(xù)指令的地址；將該地址送往主存的地址寄存器AR,便可從存儲(chǔ)器讀取下一條指令。 程序計(jì)數(shù)器的原理圖：4、 系統(tǒng)總電路圖及原理 系統(tǒng)原理：該CPU 主要由算術(shù)邏輯單元ALU，數(shù)據(jù)暫存寄存器DR1、DR2,數(shù)據(jù)寄存器R0R2，程序計(jì)數(shù)器PC，地址寄存器AR，程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MEM

13、ORAY，指令寄存器IR，微控制器uC，輸入單元INPUT 和輸出單元OUTPUT 所組成。圖中虛線框內(nèi)部分包括運(yùn)算器、控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和微程序存儲(chǔ)器等，實(shí)測(cè)時(shí)，它們都可以在單片F(xiàn)PGA 中實(shí)現(xiàn)。虛線框外部分主要是輸入/輸出裝置，包括鍵盤(pán)、數(shù)碼管、LCD 顯示器等，用于向CPU 輸入數(shù)據(jù)，或CPU 向外輸出數(shù)據(jù)，以及觀察CPU 內(nèi)部工作情況及運(yùn)算結(jié)果.5、 波形仿真 仿真波形圖： 分析：（1）M輸出微指令01800，控制臺(tái)執(zhí)行P（4），進(jìn)行“讀、寫(xiě)、運(yùn)行"功能判斷。檢測(cè)到SWA、SWB=11后，進(jìn)入程序運(yùn)行RP（11）方式。(2）執(zhí)行微地址為23的微指令，M輸出微指令為

14、018001，后續(xù)微地址uA為01。然后進(jìn)入程序運(yùn)行的流程.（3）執(zhí)行微地址為01的M微指令008001，執(zhí)行的操作為PCAR=00H，PC+1=01H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址00H,后續(xù)地址uA為02。(4）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82,執(zhí)行取指令操作,取出第一條指令的操作碼,經(jīng)過(guò)分支判斷P（1），這是一條輸入指令I(lǐng)N.（5)執(zhí)行微地址為10的M微指令00C048，將RAM中的指令00通過(guò)內(nèi)部總線BUS，送指令寄存器IR:RAM（00H）=00BUSIR=00H。(6）執(zhí)行微地址為01的M微指令001001，SW_B為高電平，允許SW的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線BUS，由此接收數(shù)據(jù)56H.

15、所以R0=56H。（7)執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=01H，PC+1=02H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址01H，后續(xù)微地址uA為02。（8)執(zhí)行微地址09的M微指令00C048，取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P（1）,讀出地址為01H單元的內(nèi)容10H，經(jīng)過(guò)BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H)=10HBUSIR=10H。（9)執(zhí)行微地址為03的M微指令01ED83,進(jìn)入加法運(yùn)算微程序.通過(guò)間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù),地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=02H，PC+1=03H,AR指向RAM的02單元.(10）執(zhí)行微地址為04的M微指令00E004,RAM

16、_B為高電平，RAM的（02)單元的內(nèi)容通過(guò)BUS送AR,取數(shù)地址（AR）=0AH,RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。(11）執(zhí)行微地址為05的M微指令00B005，RAM_B為高電平,RAM的（0AH）單元的內(nèi)容34H送到BUS，此時(shí)LDDR2為高電平，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2，執(zhí)行結(jié)果：RAM（0AH)=34HBUSDR2=34H。（12)執(zhí)行微地址為06的M微指令01A206，將R0的數(shù)據(jù)送DR1.R0_B=1,允許R0的內(nèi)容56H送往BUS，此時(shí)LDDR1為高電平,BUS上的數(shù)據(jù)56H寫(xiě)入ALU的數(shù)據(jù)緩沖期DR1,執(zhí)行結(jié)果：（R0）=56HBUSDR1=56H。（13)執(zhí)行

17、微地址為01的M微指令919A01，完成加法運(yùn)算：（DR1）+（DR2）R0，56H+34H=8AHR0=8AH。（14)執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=03H，PC+1=04H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址03H，執(zhí)行第三條指令,存儲(chǔ)STA。（15）執(zhí)行微地址12的M微指令00C048，取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P（1),讀出地址為03H單元的內(nèi)容20H，經(jīng)過(guò)BUS送到指令寄存器IR：RAM（03H）=20HBUSIR=20H。(16）執(zhí)行微地址為07的M微指令01ED87,通過(guò)間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=04H,PC+1=

18、05H,AR指向RAM的04單元。（17）執(zhí)行微地址為15的M微指令00E00D,RAM_B為高電平，RAM的(04)單元的內(nèi)容通過(guò)BUS送AR,取數(shù)地址（AR）=0BH，RAM（04）=0BHBUSAR=0BH。（18）執(zhí)行01微地址為01的M微指令038201，RAM_B為高電平，R0的內(nèi)容存入RAM（0BH）單元，BUS上的數(shù)據(jù)就送給了DR2,執(zhí)行結(jié)果：RAM(0BH）=8AHBUSRAM（0BH）=8AH。(19）執(zhí)行微地址為02的M微指令01ED82，執(zhí)行取指令操作：PCAR=05H，PC+1=06H，AR指向RAM存儲(chǔ)器地址05H，執(zhí)行第四條指令，輸出OUT。（20)執(zhí)行微地址13的M微指令00C048,取指令，并經(jīng)過(guò)分支判斷P（1)，讀出地址為05H單元的內(nèi)容30H，經(jīng)過(guò)BUS送到指令寄存器IR：RAM(05H）=30HBUSIR=30H。(21）執(zhí)行微地址為16的M微指令01ED8E,通過(guò)間接尋址獲得另一個(gè)操作數(shù)，地址寄存器AR指向取數(shù)的間接地址：PCAR=06H，PC+1=07H，AR指向RAM的06單元。（22）執(zhí)行微地址為17的M微指令00E00F，RAM_B為高電平，RAM的（06）單元的內(nèi)容通過(guò)BUS送AR,取數(shù)地址（AR）=0BH，RAM（06）=0BHBUSAR=0BH。（23）執(zhí)行微地址為25的M微指令00A015，RAM_B為高