《cpu设计实验报告》word版

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1、CPU设计实验报告姓名：学号：邮箱：一、实验目的：1、掌握硬件描述语言VHDL和EDA工具QuartusII；利用VHDL设计16位串行CPU，实现算术和逻辑运算指令、转移指令、访存指令、堆栈指令和控制指令；2、掌握CPU的调试和测试方法。二、实验内容：1、运用硬件描述语言VHDL实现寄存器堆和算数逻辑单元设计、指令集和指令格式、时序设计和整体结构设计、指令译码器的设计、访存单元的设计、调试单元的设计；2、上机调试。三、实验步骤：1、寄存器堆的设计寄存器堆由16个16位寄存器组成。其中reset是异步清0端，reset=0时将所有寄存器清0。

2、dr_sel和sr_sel是目标寄存器和源寄存器编号，dr_out和sr_out输出目标寄存器和源寄存器的内容。reg_sel指定一个寄存器编号，将该寄存器内容送给reg_out，这两个端口用于调试时观察每个寄存器的值。reg_en是写允许端。reg_en=“01”时，在clk的上升沿将from_alu写入dr_sel指定的寄存器；reg_en=“10”时，在clk的上升沿将from_mem写入dr_sel指定的寄存器。reg_en取其他值时不改变寄存器堆的值。设计方法：subtypeWORDisstd_logic_vector(15down

3、to0);typeREGISTERARRAYisarray(0to15)ofWORD;signalreg_bank:REGISTERARRAY则reg_bank就是我们所需要的寄存器堆。写寄存器堆的方法：reg_bank(conv_integer(dr_sel))<=from_alu;读寄存器堆的方法：dr_out<=reg_bank(conv_integer(dr_sel));其中，conv_integer是STD_LOGIC_UNSINGED程序包提供的函数，将标准逻辑矢量转换成整数，作为reg_bank的下标。2、算数逻辑单元设计ALU

4、可以实现16种运算。alu_func是运算功能选择，alu_a和alu_b是两个操作数，c_in是进位标志输入，用于实现ADC和SBB。alu_o是运算结果，c、s、z、o分别是进位标志，符号标志，零标志和溢出标志。ALU功能如下图所示：设计方法：7条算术运算指令可以调用Quartus提供的模块lpm_add_sub实现。在库使用说明中增加：LIBRARYLPM;USELPM.LPM_COMPONENTS.ALL;在构造体的ARCHITECTURE和BEGIN关键字之间，用COMPONENT语句声明该模块：COMPONENTlpm_add_s

5、ubGENERIC(lpm_width:NATURAL;lpm_direction:STRING;lpm_type:STRING;lpm_hint:STRING);PORT(dataa:INSTD_LOGIC_VECTOR(lpm_width-1DOWNTO0);datab:INSTD_LOGIC_VECTOR(lpm_width-1DOWNTO0);cin:INSTD_LOGIC;result:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(lpm_width-1DOWNTO0);cout:OUTSTD_LOGIC;overflow:OUTSTD_

6、LOGIC);ENDCOMPONENT;并定义几个信号：SIGNALaddsub_cin:STD_LOGIC;SIGNALaddsub_c:STD_LOGIC;SIGNALaddsub_o:STD_LOGIC;SIGNALaddsub_a:STD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);SIGNALaddsub_b:STD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);SIGNALaddsub_r:STD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);在构造体中，用GENERICMAP和PORTMAP语句说明lpm_add_sub

7、的连接方式：ALU_ADDSUB:lpm_add_subGENERICMAP(lpm_width=>16,lpm_direction=>"ADD",lpm_type=>"LPM_ADD_SUB",lpm_hint=>"ONE_INPUT_IS_CONSTANT=NO,CIN_USED=YES")PORTMAP(dataa=>addsub_a,datab=>addsub_b,cin=>addsub_cin,result=>addsub_r,cout=>addsub_c,overflow=>addsub_o);实现7条算术运算指令时，addsub

8、_a、addsub_b、addsub_cin的取值如下：按照上述取值方法，addsub_r和addsub_o就是这7条指令的运算结果和溢出标志。对于ADD和ADC指