《简化cpu设计》-

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1、电子科技大学通信学院简化CPU设计2013年9月19一、课程设计要求1.设计16位精简指令集CPU指令系统；2.完成精简指令集CPU的结构设计和所有模块的代码编写，并仿真验证；3.编写能够完成加法器﹑流水灯等功能的汇编程序，并翻译成二进制机器码；4.设计CPU外围模块如分频器，存储器和IO接口，并在软件平台上仿真CPU执行程序的完整过程；5.下载工程到FPGA芯片，在硬件资源上实现。二、设计思路1、CPU指令集系统设计本课程设计所设计的RISC_CPU指令长度为16位，能够处理16位数据，指令中需要操作符，寄存

2、器地址和立即数等字段。完成立即数数据载入操作需要如下指令：mil：将立即数放在低8位mih：将立即数放在高8位因为一条指令无法载入完整16比特立即数数据，设计指令格式中用于存放立即数的字段为8bits，将16bits数据传递到通用寄存器需要2条指令，“milR1,I(低8位)”将立即数I的低8位传递给通用寄存器R1，“mihR1，I(高8位)”将立即数I的高8位传递给通用寄存器R1。完成存储器或I/O数据载入与存储的操作需要如下指令：lda：载入指定地址数据sta：储存数据到指定地址inp：从端口输入oup：输

3、出到端口因为存储器中有些地址的数据可能是有工程意义的，对这些地址上的数据的处理是必不可少的。“ldaRdRs”将通用寄存器Rs的数据作为指定地址，将存储器中该地址上的数据载入到通用寄存器Rd中，“staRdRs”将通用寄存器Rd的数据作为指定地址，将通用寄存器Rs的数据储存到存储器该地址上。完成通用寄存器阵列内数据运算操作需要如下指令：and：寄存器数据与操作orr：寄存器数据或操作not：寄存器数据非操作shl：左移shr：右移add：寄存器数据相加sub：寄存器数据相减mul：寄存器数据相乘19cmp：寄存

4、器数据相比较这些是本CPU设计能够完成的数据处理操作，有3点需要注意：1、所有操作的数据必须储存于通用寄存器中2、乘法运算只能进行8比特数据相乘，溢出则取其低8位数据相乘3、cmp指令的结果会影响标志位，该标志位可作为分支操作的条件，但执行cmp指令之前建议先清除相关标志位。完成对标志位的处理操作需要如下指令：szf：对零标志位置1czf：清除零标志位scf：对进位标志位置1ccf：清除进位标志位设计这些指令为分支操作的执行创造了条件，还需要注意其它指令在执行过程中同样可能影响标志位的值。完成指令跳转、分支操作

5、需要如下指令：spc：保存pc的值jpa：跳转到指定位置jpr：跳转到相关位置brz：以零标志位为条件的分支brc：以进位标志位为条件的分支spc、jpa、jpr指令为程序的循环执行创造了基础，brz、brc指令为程序的分支执行创造了基础。如果一个程序不只是顺序执行，那么这些指令是必不可少的。“spcRdI”将当前PC值与立即数I相加的结果送给通用寄存器Rd，“brcI”如果进位标志位C为1，将当前PC的值与立即数I相加的结果作为PC的值。完成对窗口指针的操作需要如下指令：cwp：清除窗口指针awp：窗口指针与

6、立即数相加窗口指针用于存放通用寄存器的窗口偏移值，达到扩大通用寄存器数量的目的。在最终的指令格式中通用寄存器地址（编号）只有两比特，也就是直接表示只能表示4个寄存器，经验证无法完成本课程设计所设计所要求的完成流水灯的程序编写，而加上窗口指针偏移值后，就可以表示更多的通用寄存器以达到课程设计要求。完成无操作、中断需要如下指令：nop：无操作hlt：中断建议本课程设计所设计的CPU的指令格式为：15-12bit规定指令的类型；11-8bit选择寄存器，共设有8个寄存器，前2位为目的寄存器，后2位为源寄存器；7-0b

7、it为立即数。部分示例指令如下表2-1所示，其中D、S分别为目的、源寄存器，I为立即数。表2-1部分指令集系统助记符及定义比特15：0注释nop无操作0000-00-00-00000000无操作hlt中断0000-00-01-00000000中断，遇到停止19szf对零标志位置10000-00-10-00000000Z<=’1’czf清除零标志位0000-00-11-00000000Z<=’0’scf对进位标志位置10000-01-00-00000000C<=’1’ccf清除进位标志位0000-01-01-00

8、000000C<=’0’cwp清除窗口指针0000-01-10-00000000WP<=’000’mvr转移寄存器数据0001-D-S-00000000Rd<=Rslda载入指定地址数据0010-D-S-00000000Rd<=(Rs)sta储存数据到指定地址0011-D-S-00000000(Rd)<=Rsinp从端口输入0100-D-S-00000000把端口Rs进来的数据写入Rd