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CPU设计实验报告 姓名：李敏 学号：23020062203768 邮箱：liminqy@ 一、实验目的： 1、掌握硬件描述语言VHDL和EDA工具Quartus II；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；掌握CPU的调试和测试方法硬件描述语言VHDL16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。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： subtype WORD is std_logic_vector(15 downto 0); type REGISTERARRAY is array ( 0 to 15 ) of WORD; signal reg_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： LIBRARY LPM; USE LPM.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： COMPONENT lpm_add_sub GENERIC(lpm_width: NATURAL; lpm_direction: STRING; lpm_type: STRING; lpm_hint: STRING); PORT(dataa: IN STD_LOGIC_VECTOR(lpm_width - 1 DOWNTO 0); datab: IN STD_LOGIC_VECTOR(lpm_width - 1 DOWNTO 0); cin: IN STD_LOGIC; result: OUT STD_LOGIC_VECTOR(lpm_width - 1 DOWNTO 0); cout: OUT STD_LOGIC; overflow: OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; 并定义几个信号： SIGNAL addsub_cin: STD_LOGIC; SIGNAL addsub_c : STD_LOGIC; SIGNAL addsub_o : STD_LOGIC; SIGNAL addsub_a : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); SIGNAL addsub_b : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); SIGNAL addsub_r : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); 在构造体中，用GENERIC MAP和PORT MAP语句说明lpm_add_sub的连接方式： ALU_ADDSUB: lpm_add_sub GENERIC MAP(lpm_width = 16, lpm_direction = ADD, lpm_type = LPM_ADD_SUB, lpm_hint = ONE_INPUT_IS_CONSTANT = N