采用微程序控制器的CPU设计.docx

资源描述

采用微程序控制器的CPU设计.docx

《采用微程序控制器的CPU设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用微程序控制器的CPU设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

采用微程序控制器的CPU设计.docx

采用微程序控制器的CPU设计

计算机组成原理课程设计报告

题目采用微程序控制器的CPU设计

姓名

学号

指导老师

成绩

2013年1月11日

1.课程设计目的与要求3

2.开发工具选择3

3.设计方案选择3

4．指令系统设计4

5.模型机总体结构设计4

6.指令流程设计6

7.微指令格式设计7

8.微程序流程设计7

9.微程序的编写8

9.VHDL实现9

10.调试仿真14

11.课程设计回顾总结19

参考文献19

1.课程设计目的与要求

1）课程设计目的:

①融会贯通计算机组成原理课程各章教学内容，通过知识的综合运用，加深对CPU各模块工作原理及相互联系的认识，建立计算机整机的概念。

2通过对一个简单模型机的设计，达到对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的理解，加深对理论课程的理解。

3学习运用大容量可编程器件开发技术，掌握设计和调试的基本步骤和方法。

4培养独立工作和创新思维的能力，取得设计与调试的实践经验。

2）课程设计要求：

设计一台微程序控制的模型计算机

①拟定指令系统（含机器指令的字长、格式、寻址方式及指令的种类等）

②设计数据通路，给出模型机中所含的部件及其间的连接，以及信息在数据通路中传送时所需的微命令。

3设计微程序的流程图

4设计微指令

5编写微程序

6使用VHDL编码，仿真检测实验的功能是否达到设计要求

撰写课程设计报告，要求报告中所规定的图文齐全、符合要求、结构合理，能对实验中出现的问题进行分析及给出解决的方法。

2.开发工具选择

以TEC-CA教学实验系统为平台，采用硬件描述语言VHDL为设计工具，应用QUARTUSⅡ5.1环境进行大规模集成电路的功能设计仿真。

3.设计方案选择

1）总线宽度：

该模拟机仅有一条总线，且总线宽度为8位。

2）寄存器：

所有的寄存器的位数均为8位：

1　通用寄存器R：

该模拟机有1个通用寄存器，用于寄存器寻址时存放结果，提供操作数。

2　指令寄存器IR：

为了提高取指令的速度，将指令从内存中读出，经数据总线直接置入IR。

3　数据寄存器MDR、地址寄存器MAR：

地址寄存器MAR提供访问主存的地址；数据寄存器MDR，把从内存取出的数据暂存于MDR中，在用到该数据进行运算时，再从MDR中取出数据进行运算。

4　程序计数器PC：

用于存放下一条指令的内存地址。

3）ALU可以实现8位操作数的运算，即ALU的位数为8位，ALU运算功能为：

加、减、逻辑与、逻辑或、条件转移

4）数据通路

4．指令系统设计

1）字长：

固定字长8位

2）指令格式：

操作码（3位）

标志位（1位）

地址码（4位）

3）操作码的位数：

3位，最多有8条指令

000

load

001

store

010

add

011

sub

100

and

101

110

bne

4）寻址方式：

直接寻址和寄存器间接寻址

load7:

：

将7单元的数据装入ACC寄存器中。

机器指令为00000111

store8：

将ACC寄存器中的数据存入8单元中。

机器指令为00101000

add9:

：

将ACC寄存器中的数据与9单元中的数据相加，结果存入ACC寄存器中。

机器指令为01001001

sub[R]：

将ACC寄存器中的数据与R寄存器中数据相减，结果存入ACC寄存器中。

and10：

将ACC寄存器中的数据与10单元中的数据相与，结果存入ACC寄存器中。

机器指令为10001010

or11：

将ACC寄存器中的数据与11单元中的数据相或，结果存入ACC寄存器中。

机器指令为10101011

ben12：

条件转移指令，如果Z_FLAG标志为0，则程序执行顺序发生转移，转向地址为12单元中的内容。

机器指令为11001100

对于双操作数指令，其中一个操作数为指令中指定的存储单元中的数据，另一操作数隐含为ACC。

5.模型机总体结构设计

6.指令流程设计

loadstoreadd

PC—>MARPC—>MARPC—>MAR

PC+1—>PCPC+1—>PCPC+1—>PC

M（MAR）—>MDRM（MAR）—>MDRM（MAR）—>MDR

MDR—>IRMDR—>IRMDR—>IR

IR中的地址码—>MARIR中的地址码—>MARIR中的地址码—>MAR

M（MAR）—>MDRACC—>MDRM（MAR）—>MDR

MDR—>ACCMDR—>M（MAR）MDR+ACC—>ACC

subandor

PC—>MARPC—>MARPC—>MAR

PC+1—>PCPC+1—>PCPC+1—>PC

M（MAR）—>MDRM（MAR）—>MDRM（MAR）—>MDR

MDR—>IRMDR—>IRMDR—>IR

IR中的地址码—>MARIR中的地址码—>MARIR中的地址码—>MAR

Ir_out（4）='1'

R→MARM（MAR）—>MDRM（MAR）—>MDR

M（MAR）—>MDRMDRandACC—>ACCMDRORACC—>ACC

ACC-MDR—>ACC

bne

PC—>MAR

PC+1—>PC

M（MAR）—>MDR

MDR—>IR

IR中的地址码—>MAR

M（MAR）—>MDR

Z_FLAG=0?

YES

MDR—>PC

7.微指令格式设计

微指令的格式：

操作控制字段

顺序控制字段

操作控制字段：

采用直接控制法，操作控制字段的位数与设计的微命令的个数一致。

15位

顺序控制字段：

决定如何产生下一条微指令的地址。

5位

如果微指令的执行是顺序执行，则顺序控制字段提供下一条微指令的地址；如果产生了分支，则顺序控制字段为标志，注意此标志所对应得微地址中不要存入微指令。

8.微程序流程设计

9.微程序的编写

微地址

0~4

r_bus

load_PC

ACC_bus

load_ACC

PC_bus

load_IR

load_MAR

MDR_bus

load_MDR

ALU_ACC

INC_PC

Addr_bus

R_NW

ALU_and

ALU_or

ALU_add

ALU_sub

下地址

00001

00010

00011

11111

00000

10011

00100

00101

00110

11011

01111

10000

11110

00000

00111

各个控制信号：

控制信号

描述

ACC_bus

用ACC的内容驱动总线

load_ACC

将总线上的数据载入ACC

PC_bus

用PC的内容驱动总线

load_PC

将总线上的数据载入PC

load_IR

将总线上的数据装载至IR

load_MAR

将总线上的数据装载至MAR

MDR_bus

用MDR的内容驱动总线

load_MDR

将总线上的数据装载至MDR

ALU_ACC

用ALU的结果装载ACC

INC_PC

PC+1并将结果存至PC中

Addr_bus

用IR中指令的地址码部分驱动总线

片选。

用MAR的内容设置存储器地址

R_NW

读取，不可写。

当R_NW无效且CS有效时，MDR的内容存储于存储器中

ALU_add

在ALU中执行加法操作

ALU_sub

在ALU中执行减法操作

ALU_and

在ALU中执行与操作

ALU_or

在ALU中执行或操作

R_bus

用R的内容驱动总线

9.VHDL实现

cpu_defs.vhd

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

PACKAGEcpu_defsIS

TYPEopcodeIS（load,store,add,sub,and0,or0,bne）;

CONSTANTword

展开阅读全文