1、 計算機組成原理 實驗題目 8位CPU的系統設計 學 號 1115106046 姓 名 魏忠淋 班 級 11電子B 班 指導老師 凌朝東 華僑大學電子工程系8位CPU的系統設計1、 實驗要求與任務完成從指令系統到CPU的設計,編寫測試程序，通過運行測試程序對CPU設計進行正確性評定。具體內容包括：典型指令系統（包括運算類、轉移類、訪存類）設計；CPU結構設計；規則文件與調試程序設計;CPU調試及測試程序運行。 1.1設計指標能實現加減法、左右移位、邏輯運算、數據存取、有無條件跳轉、內存訪問等指令； 1.2設計要求 畫出電路原理圖、仿真波形圖；二、CPU的組成結構3、 元器件的選擇 1。運算部件

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。微控制器實現信息傳送要靠微命令的控制，因此在CPU 中設置微命令產生部件，根據控制信息產生微命令序列，對指令功能

10、所要求的數據傳送進行控制,同時在數據傳送至運算部件時控制完成運算處理。微命令產生部件可由若干組合邏輯電路組成,也可以由專門的存儲邏輯組成。產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 設計中,采用微程序控制方式通過微程序控制器和微指令存儲器產生微命令,因此此CPU 屬于復雜指令CISC CPU。 微控制器的原理圖： 3。寄存器組計算機工作時，CPU 需要處理大量的控制信息和數據信息。例如對指令信息進行譯碼，以便產生相應控制命令對操作數進行算術或邏輯運算加工，并且根據運算結果決定后續操作等。因此，在CPU 中需要設置若干寄存器，暫時存放這些信息。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 訪問存儲器，首先要找到需要訪問的存儲單元,因此設置地址寄存器（AR）來存放被訪單元的地址.當需要讀取指令時，CPU 先將PC 的內容送入AR，再由AR將指令地址送往存儲器。當需要讀取或存放數據時，也要先將該數據的有效地址送入AR，再對存儲器進行讀寫操作. 地址寄存器的原理圖： 4。指令寄存器指令寄存器（IR)用來存放當前正在執行的指令,它的輸出包括操作碼信息、地址信息等，是產生微命令的主要邏輯依據。 指令寄存器的原理圖： 5.程序計數器程序計數器（PC）也稱指令指針，用來指示指令在存儲器中的存放位置。當程序

12、順序執行時,每次從主存取出一條指令，PC 內容就增量計數,指向下一條指令的地址。增量值取決于現行指令所占的存儲單元數.如果現行指令只占一個存儲單元，則PC 內容加1；若現行指令占了兩個存儲單元,那么PC 內容就要加2。當程序需要轉移時，將轉移地址送入PC,使PC 指向新的指令地址.因此，當現行指令執行完，PC 中存放的總是后續指令的地址；將該地址送往主存的地址寄存器AR,便可從存儲器讀取下一條指令。 程序計數器的原理圖：4、 系統總電路圖及原理 系統原理：該CPU 主要由算術邏輯單元ALU，數據暫存寄存器DR1、DR2,數據寄存器R0R2，程序計數器PC，地址寄存器AR，程序/數據存儲器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。圖中虛線框內部分包括運算器、控制器、程序存儲器、數據存儲器和微程序存儲器等，實測時，它們都可以在單片FPGA 中實現。虛線框外部分主要是輸入/輸出裝置，包括鍵盤、數碼管、LCD 顯示器等，用于向CPU 輸入數據，或CPU 向外輸出數據，以及觀察CPU 內部工作情況及運算結果.5、 波形仿真 仿真波形圖： 分析：（1）M輸出微指令01800，控制臺執行P（4），進行“讀、寫、運行"功能判斷。檢測到SWA、SWB=11后，進入程序運行RP（11）方式。(2）執行微地址為23的微指令，M輸出微指令為

14、018001，后續微地址uA為01。然后進入程序運行的流程.（3）執行微地址為01的M微指令008001，執行的操作為PCAR=00H，PC+1=01H，AR指向RAM存儲器地址00H,后續地址uA為02。(4）執行微地址為02的M微指令01ED82,執行取指令操作,取出第一條指令的操作碼,經過分支判斷P（1），這是一條輸入指令IN.（5)執行微地址為10的M微指令00C048，將RAM中的指令00通過內部總線BUS，送指令寄存器IR:RAM（00H）=00BUSIR=00H。(6）執行微地址為01的M微指令001001，SW_B為高電平，允許SW的數據送往數據總線BUS，由此接收數據56H.

15、所以R0=56H。（7)執行微地址為02的M微指令01ED82，執行取指令操作：PCAR=01H，PC+1=02H，AR指向RAM存儲器地址01H，后續微地址uA為02。（8)執行微地址09的M微指令00C048，取指令，并經過分支判斷P（1）,讀出地址為01H單元的內容10H，經過BUS送到指令寄存器IR：RAM（01H)=10HBUSIR=10H。（9)執行微地址為03的M微指令01ED83,進入加法運算微程序.通過間接尋址獲得另一個操作數,地址寄存器AR指向取數的間接地址：PCAR=02H，PC+1=03H,AR指向RAM的02單元.(10）執行微地址為04的M微指令00E004,RAM

16、_B為高電平，RAM的（02)單元的內容通過BUS送AR,取數地址（AR）=0AH,RAM(02)=0AHBUSAR=0AH。(11）執行微地址為05的M微指令00B005，RAM_B為高電平,RAM的（0AH）單元的內容34H送到BUS，此時LDDR2為高電平，BUS上的數據就送給了DR2，執行結果：RAM（0AH)=34HBUSDR2=34H。（12)執行微地址為06的M微指令01A206，將R0的數據送DR1.R0_B=1,允許R0的內容56H送往BUS，此時LDDR1為高電平,BUS上的數據56H寫入ALU的數據緩沖期DR1,執行結果：（R0）=56HBUSDR1=56H。（13)執行

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

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