课程设计 cpu.doc

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1、哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程片上计算机系统题目CPU模型机设计班级集成14-2班专业集成电路设计与集成系统学生宋鸿飞学号1414020210指导教师崔林海2016年07月8日<5>索引：1．课程设计的目的及要求………………………………………32．处理器的设计思想和设计内容………………………………33．设计处理器的结构和实现方法………………………………34．模型机的指令系统……………………………………………45．处理器的状态跳转操作过程…………………………………46.CPU的Verilog代码…………………

2、…………………………77.模型机在QuartusII环境下的应用…………………………168.仿真波形………………………………………………………169.课程设计的总结………………………………………………18<5>一．课程设计的目：目的：了解QuartusII软件的应用，学习QuartusII环境下设计CPU的基本过程；掌握CPU设计代码的含义以及CPU的工作原理；了解CPU与内存RAM间的连接数据的传输过程；学习在QuartusII环境下建立模型机的具体过程。融会贯通本课程各章节的内容，通过知识的综合运用，加深对计算

3、机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高使用软件仿真工具和集成电路的基本技能。培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验。二．处理器的设计思想和设计内容：我设计的是16位cpu，5位的操作码，18条指令，其中包含了4种寻址方式。内存容量为2k。这个CPU是参考学姐的程序，在学姐的程序的基础上增加了一些指令得到的。三．设计处理器的结构和实现方法：（指令格式）格式1：寄存器寻址方式1514131211109876543210OPRxRy空白格式2：立即数寻址

4、方式1514131211109876543210OPI空白格式3：无操作数寻址方式1514131211109876543210OP空白空白格式4：直接寻址方式1514131211109876543210OPAddr内存（2的11次方）<5>一．模型机的指令系统CPU的指令集：操作码OPIR(15..12)指令格式指令的助记符指令的内容000003Idle无操作PC=PC+1000012LoadDataR0ßI立即数操作000101MoveRxRyRxß(Ry)PC=PC+1000111AddRxRyRxß(Rx)+

5、(Ry)PC=PC+1001001SubRxRyRxß(Rx)-(Ry)PC=PC+1001011ANDRxRyRxß(Rx)AND(Ry)PC=PC+1001101ORRxRyRxß(Rx)OR(Ry)PC=PC+1001111XORRxRyRxß(Rx)XOR(Ry)PC=PC+1010001NANDRxRyRxß(Rx)NAND(Ry)PC=PC+1010011NOTRxRxßNOT(Rx)PC=PC+1010101SHRRxRy逻辑循环右移PC=PC+1010111SHLRxRy逻辑循环左移PC=PC+10

6、11001SWAPRxRyAß(Ry)Ryß(Rx)Rxß(A)PC=PC+1011014JMPAddrPCßAddrPC=PC+1011104JZAddrIf(R0)=0thenPCßAddrelsePC=PC+1011114READR0ß(Addr)PC=PC+1100004WRITEAddrß(R0)PC=PC+1100013STOP无操作PC保持不变二．处理器的状态跳转操作过程：<5>(一)、模型机每一状态下的操作及状态跳转当前状态执行操作次态与读下一条指令的有关的操作St_0取指令IR(15..0)ßM_

7、data_in（15..0）St_1Write-Readß’0’PC=PC+1St_1IFOP=LoadTHENR0ß”000000000000”

8、

9、IR(10..7)MARßPCIF(OP=Stop)THENSt_1ELSESt_2ENDIFIFOP=MoveTHENRxß(Ry)IFOP=ShrTHENRxß(Ry)逻辑循环右移IFOP=ShlTHENRxß(Ry)逻辑循环左移IFOP=AddTHENAß(Ry)IFOP=SubTHENAß(Ry)IFOP=NANDTHENAß(Ry)IFOP=ORTHENAß

10、(Ry)IFOP=ANDTHENAß(Ry)IFOP=NOTTHENAß(Ry)IFOP=XORTHENAß(Ry)IFOP=SwapTHENAß(Ry)IFOP=StopTHENNULLIFOP=IdleTHENNULLIFOP=JmpTHENNULLIFOP=JzTHENNULLIFOP=ReadTHENNULLIFOP=WriteTHENNULLSt_