CPU课程设计报告Word文件下载.docx
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二．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
1514131211109876543210
OP
Rx
Ry
空白
格式2：
立即数寻址方式
I
格式3：
无操作数寻址方式
格式4：
直接寻址方式
Addr
模型机的指令系统
操作码OP
（15~~12）
指令格式
指令
操作
0000
3
Idle
PC=PC+1
0001
2
Loaddata
R0←IPC=PC+1
0010
1
MoveRxRy
Rx←（Ry）PC=PC+1
0011
AddRxRy
Rx←（Rx）+（Ry）PC=PC+1
0100
ANDRxRy
Rx←（Rx）AND（Ry）PC=PC+1
0101
NANDRxRy
Rx←（Rx）NAND（Ry）PC=PC+1
0110
ORRxRy
Rx←（Rx）OR（Ry）PC=PC+1
0111
XNORRxRy
Rx←（Rx）XNOR（Ry）PC=PC+1
1000
ShrpRxRy
Rx←（Ry）算术右移PC=PC+1
1001
ShlpRxRy
Rx←（Ry）算术左移PC=PC+1
1010
SwapRxRy
A←（Ry）；
Ry←（Rx）；
Rx←（A）；
1011
JampAdder
PC←AdderPC=PC+1
1100
JzAdder
If（R0）=0
thenPC←Adder
ElsePC=PC+1
1101
4
ReadAddr
R0←（Addr）
1110
WriteAddr
（Addr）←R0
PC=PC+1
1111
Stop
无操作，PC不变
处理器的状态跳转操作过程：
（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）M_data_in&
‘00000000’
St_1
Write-Read’0’PC=PC+1
IFOP=LoadTHEN
R0IR（11..8）||”000000000000”
MARPC
IF（OP=Stop）THEN
ELSESt_2
ENDIF
IFOP=MoveTHENRx（Ry）
IFOP=SraTHENRy（Ry）
算术右移
IFOP=SlaTHENRy（Ry）
算术左移
IFOP=AddTHENA（Ry）
IFOP=AndTHENA（Ry）
IFOP=NandTHENA（Ry）
IFOP=OrTHENA（Ry）
IFOP=XnorTHENA（Ry）
IFOP=SwapTHENA（Ry）
IFOP=StopTHENNULL
IFOP=IdleTHENNULL
IFOP=JmpTHENNULL
IFOP=JzTHENNULL
IFOP=ReadTHENNULL
IFOP=WriteTHENNULL
St_2
IFOP=LoadOROP=MoveOROP=SraOROP=SlaOROP=Idle
THENNULL
Write-Read’0’
IFOP=AddTHENRx（Rx）+A
IFOP=ANDTHENRx（Rx）ANDA
IFOP=NANDTHENRx（Rx）NANDA
IFOP=ORTHENRx（Rx）ORA
IFOP=XNORTHENRx（Rx）XNORA
IFOP=SwapTHENRy（Rx）
St_3
IFOP=SkpTHEN
（PCIR（1..0）
IFOP=ReadTHENMARIR（11..0）
IFOP=WriteTHEN
MARIR（11..0）MDAR0
IFOP=SwapTHENRx（A）
IFOP=Skp
IFOP=Write
St_4
IFOP=Read
IFOP=ReadTHEN
R0M_data_in
IFOP=WriteTHEN
St_5
MAR<
=PC;
St_6
IfReadR0:
=M_data_in;
（二）、简单指令执行状态描述
读内存指令：
（1）St_0：
取指令执行以下操作；
1）M_address（MAR）把指令地址送到地址总线
2）令Write-Read’0’向内存发出读命令（取指令）
3）IR（15..0）M_data_in（15..0）将读出的指令加载于IR（15..0）
4）PC=PC+1至此指令已经全部取出，存在于IR（15..0），为取下一条指令准备地址
（2）St_1：
NULL直接跳转到下一状态
（3）St_2：
MARIR（11..0）将数据地址加载于MAR
（4）St_3：
1）M_address（MAR）把数据地址送到地址总线
2）令Write-Read’0’向内存发出读命令（取数据）
3）MARPC把下一条指令地址加载于MAR
（5）St_4：
1）R0M_data_in将来自内存的数据加载于R0，本指令执行完毕
2）M_address（MAR）把下一条指令地址送到地址总线
3）令Write-Read’0’向内存发出读命令（取下一条指令）
4）下一状态跳转到St_0
无条件转移指令
4）PC=PC+1（此语句无用，因为程序计数器后续重新复制达到无条件转移目的）
1）MARIR（11..0）将转移目标地址加载于MAR
2）PCIR（11..0）将转移目标地址加载于PC
1）M_address（MAR）把下一条指令地址送到地址总线
2）令Write-Read’0’向内存发出读命令（取下一条指令）
3）下一状态跳转到St_0
三．CPU的VHDL代码
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.ALL;
PACKAGEnamespackIS
CONSTANTidle:
std_logic_vector（3DOWNTO0）:
="
0000"
;
CONSTANTload:
0001"
CONSTANTmove:
0010"
CONSTANTaddP:
0011"
CONSTANTandp:
0100"
CONSTANTnandp:
0101"
CONSTANTorp:
0110"
CONSTANTxnorp:
0111"
CONSTANTshrp:
1000"
CONSTANTshlp:
1001"
CONSTANTswap:
1010"
CONSTANTjmp:
1011"
CONSTANTjz:
1100"
CONSTANTread:
1101"
CONSTANTwrite:
1110"
CONSTANTstop:
1111"
ENDnamespack;
USEieee.std_logic_unsigned.ALL;
USEWORK.namespack.ALL;
------------------------cpu实体声明---------------------------------
ENTITYcpuIS
PORT（
reset:
INstd_logic;
--清零信号低有效
clock:
--时钟信号
Write_Read:
OUTstd_logic;
--读写信号,'
1'
为写
M_address:
OUTstd_logic_vector（11DOWNTO0）;
--地址线
M_data_in:
INstd_logic_vector（7DOWNTO0）;
--数据输入线
M_data_out:
OUTstd_logic_vector（7DOWNTO0）;
--数据输出线
overflow:
OUTstd_logic）;
--溢出标志
ENDcpu;
------------------------cpu寄存器传输级行为描述--------------------------------
ARCHITECTURERTLOFcpuIS
SIGNALIR:
std_logic_vector（15DOWNTO0）;
--指令寄存器
SIGNALMDR:
std_logic_vector（7DOWNTO0）;
--数据寄存器
SIGNALMAR:
std_logic_vector（11DOWNTO0）;
--地址寄存器
SIGNALstatus:
integerRANGE0TO6;
--状态寄存器
BEGIN
status_change:
PROCESS（reset,clock,status）
BEGIN
IFreset='
0'
THENstatus<
=0;
--进入初始状态
ELSIFclock'
EVENTANDclock='
THEN
CASEstatusIS
WHEN0=>
status<
=1;
WHEN1=>
IFIR（15DOWNTO12）=StopTHEN
ELSE
=2;
ENDIF;
WHEN2=>
CASEIR（15DOWNTO12）IS
WHENSwap|Jmp|Jz|Read|Write=>
status<
=3;
WHENOTHERS=>
status<
=0;
ENDCASE;
WHEN3=>
IFIR（15DOWNTO12）=SwapTHEN
=4;
WHEN4=>
status<
=5;
WHEN5=>
WHENRead|Write=>
=6;
WHENOTHERS=>
ENDCASE;
ELSE
NULL;
ENDIF;
ENDPROCESSstatus_change;
seq:
PROCESS（reset,clock）
VARIABLEPC:
std_logic_vector（11DOWNTO0）;
--程序计数器
VARIABLER0,R1,R2,R3:
--通用寄存器
VARIABLEA:
--临时寄存器
VARIABLEtemp:
std_logic_vector（8DOWNTO0）;
--临时变量
IF（reset='
）THEN--进入初始状态
IR<
=（OTHERS=>
'
）;
PC:
R0:
R1:
R2:
R3:
A:
MAR<
MDR<
ELSIF（clock'
eventANDclock='
）THEN
overflow<
='
CASEstatusIS
WHEN0=>
--状态0
=M_data_in&
"
00000000"
--取指令
PC:
=PC+1;
--程序计数器加1
WHEN1=>
--状态1
IF（IR（15DOWNTO12）/=Stop）THEN
ENDIF;
CASEIR（15DOWNTO12）IS
WHENLoad=>
R0:
&
IR（11DOWNTO8）;
WHENMove=>
--MoveRx,Ry;
CASEIR（11DOWNTO8）IS
WHEN"
=>
=R1;
=R2;
=R3;
R1:
=R0;
R2:
WHEN"
R3:
WHENOTHERS=>
NULL;
ENDCASE;
WHENShrp=>
--算术右移；
CASEIR（11DOWNTO10）IS
00"
000"
&
R0（5DOWNTO1）;
01"
R1（5DOWNTO1）;
10"
R2（5DOWNTO1）;
R3（5DOWNTO1）;
WHENShlp=>
--算术左移；
=R0（4DOWNTO0）&
"
=R1（4DOWNTO0）&
=R2（4DOWNTO0）&
=R3（4DOWNTO0）&
WHENAddp|Andp|Nandp|Orp|Xnorp|Swap=>
CASEIR（9DOWNTO8）IS
A:
WHENOTHERS=>
WHEN2=>
--状态2
WHENAddp=>
--Rx:
=Rx+A;
temp:
=（R0（7）&
R0（7DOWNTO0））+NOT（A（7）&
A（7DOWNTO0））+1;
R0:
=temp（7DOWNTO0）;
overflow<
=temp（8）XORtemp（7）;
=（R1（7）&
R1（7DOWNTO0））+NOT（A（7）&
R1:
=（R2（7）&
R2（7DOWNTO0））+NOT（A（7）&
R2:
=（R3（7）&
R3（7DOWNTO0））+NOT（A（7）&
R3:
WHENAndp=>
--Rx:
=RxANDA;
=R0andA;
=R1andA;
=R2andA;
=R3andA;
WHENNandp=>
=RxNANDA;
=R0nandA;
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