计算机组成原理CPU设计实验报告.doc

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1、计算机组成原理报告课程设计题目：16位CPU设计学院:信息学院班级：电子A班学号：1115102015姓名：方茹目录1实验方法42总体说明52.1指令系统：52.1.1指令格式分类（按指令字长和操作数不同）：52.1.2具体指令汇总表：62.1.3相关指令流程图：72.1.4指令数据通路的构建：82.1.5指令的分组及节拍：112.1.6指令执行状态图：(见下页)122.1.7具体微指令：122.2系统整体介绍152.2.1系统基本模块划分152.2.2总体结构图：(见下页)163CPU的控制逻辑与具体数据通道设计1

2、73.1取指令逻辑的设计183.1.1指令地址的保存183.1.2指令存储器193.1.3下一条指令地址的计算193.2指令译码逻辑的设计203.3指令执行逻辑的设计213.4存储器访问逻辑的设计223.5结果写回逻辑的设计233.6单周期CPU的总成244各部分说明254.1ALU254.2数据选择器BUS_MUX274.3器件T1294.4标志寄存器FLAG_REG304.5T2：314.6程序计数器PC324.7地址寄存器AR和指令寄存器IR：334.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择344.9一位控制信号/WR

3、364.10节拍发生器364.11控制逻辑384.12T3414.13REG_OUT424.14存储器434.15总线选择器444.16REG_TEST445附录：46附录A：组员分工：46附录B：组员设计总结：461实验方法实验要完成的工作主要包括：指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现（VHDL语言程序的编写），软件模拟，以及硬件调试。这几部分的工作之间是先行后续的关系，也就是只有前一个步骤完成了下一个步骤才可以开始进行，不存在并行完成的情况。实验主要流程如下图所示：设计FPG

4、A-CPU的指令集。我们选择了不做流水及Cache。指令系统设计分析并确定CPU主要功能模块，分析每条指令的执行过程，数据的流向和控制信号的产生，画出逻辑结构图逻辑设计按模块分别实现并模拟具体实现整体模拟仿真，检查时序关系配合是否正确软件模拟下载到FPGA中进行硬件调试硬件调试其中指令系统和逻辑结构的设计主要参考了相关文献。主要的方法是先确定CPU所要实现的功能，根据寄存器等的情况划分指令格式，然后根据功能写出指令，根据不同指令的特点将它们分组并确定操作码；接下来设想每条指令的执行过程，需要哪些硬件支持，最后确定整个

5、CPU的逻辑结构图。在各个功能模块的实现中主要使用了自底向上的设计方法。先实现寄存器，再实现寄存器组，等等，最后将各个器件和模块之间互连，得到顶层设计图。2总体说明2.1指令系统：计算机的指令是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计算机支持的全部指令就构成该机的指令系统。从计算机本身的组成看，指令系统直接与计算机系统的性能和硬件结构的复杂程度等密切相关，它是CPU设计的起始点和基本依据。设计指令系统的核心问题是选定指令的格式和功能。具体到我们的设计来说，指令的功能应该包括简单的算术和逻辑运算，移位操作，

6、数据传送，跳转，读写内存，另外还可能包括一些其他功能如置条件码等。为了指令的规整性和便于译码，我们主要采用了定长的操作码组织方案，操作码为8位。寻址方式包括了寄存器寻址、立即数寻址、直接地址和相对寻址。2.1.1指令格式分类（按指令字长和操作数不同）：（1）单字指令单字节指令格式（2）双字指令2.1.2指令操作码操作码功能表2.1.3相关指令流程图：1.算术逻辑运算指令2.访存指令将参与运算的两个操作数分别放入ALU的A端和B端ALU进行运算，结果存入暂存器Y中将暂存器Y中结果经总线送回指定寄存器将指令中存储器地址经

7、地址总线送入MAR当中，并把存储器读写使能端置为读将存储器中数据送入MDR将MDR中数据经数据总线送入寄存器将寄存器中数据经数据总线送入MDA将地址经地址总线送入MAR，并读写使能端为写将MDR中数据存入存储器3.访寄存器指令4.跳转指令将寄存器中操作数送入总线将立即数经符号扩展后送入总线将总线上的数送往寄存器取指令中立即数送入ALU的A端，将PC得值送入B端ALU完成加运算，将结果送到暂存器Y中将Y中数据经数据总线送入PC2.1.4指令数据通路的构建：1.取指令数据通路的构建取指令的微操作安排如下：T0:PCàBU

8、SàMAR,PCàBUSàA,1àREADT1:M(MAR)àMDRàBUSàIR,ALU(A+2)àYT2:YàBUSàPC,IRàID数据通路如下：（再配合流程图来说明工作流程，说明每一个部件的功能；以下同）PCMUXIRALUAMEMMARMDRBYBUSMAR_INMDR_INPC_INIR_INA_INB_INALUOPBUS_MUX