2014计算机组成原理CPU设计实验报告费下载.docVIP

计算机组成原理专题实验报告 ——CPU设计 指导教师 姜欣宁 小组成员列表 成员　 姓名 学院 班级 学号 教师评分 组长 冯福力 电信 计算机75班 组员 王智 电信 计算机75班 组员 杜建营 电信 计算机75班　 组员 沈培均 电信 计算机75班 组员 刘大方 电信 计算机75班 完成时间：2010年4月23日 目录 1 实验方法 4 2 总体说明 5 2.1指令系统： 5 2.1.1指令格式分类（按指令字长和操作数不同）： 5 2.1.2具体指令汇总表： 6 2.1.3相关指令流程图： 7 2.1.4指令数据通路的构建： 8 2.1.5指令的分组及节拍： 11 2.1.6指令执行状态图：(见下页) 12 2.1.7具体微指令： 12 2.2 系统整体介绍 15 2.2.1系统基本模块划分 15 2.2.2总体结构图：(见下页) 16 3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 17 3.1取指令逻辑的设计 18 3.1.1指令地址的保存 18 3.1.2指令存储器 19 3.1.3下一条指令地址的计算 19 3.2指令译码逻辑的设计 20 3.3指令执行逻辑的设计 21 3.4存储器访问逻辑的设计 22 3.5结果写回逻辑的设计 23 3.6单周期CPU的总成 24 4各部分说明 25 4.1 ALU 25 4.2数据选择器BUS_MUX 27 4.3器件T1 29 4.4标志寄存器FLAG_REG 30 4.5 T2： 31 4.6程序计数器PC 32 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR： 33 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择 34 4.9一位控制信号/WR 36 4.10 节拍发生器 36 4.11控制逻辑 38 4.12 T3 41 4.13 REG_OUT 42 4.14存储器 43 4.15总线选择器 44 4.16 REG_TEST 44 5附录： 46 附录A：组员分工： 46 附录B：组员设计总结： 46 1 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 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，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 单字单操作数指令 15 8 7 4 3 0 OPCODE DEST_REG 0000 OPCODE OFFSET 包括： JNC, JNZ ② 单字双操作数指令 15 8 7 4 3 0 OPCODE DEST_REG SOUR_REG 包括：ADD, SUB, AND, CMP, OR, MVRTR , LDRR, STRR ③ 单字无操作数指令 15 8 7 4 3 0 OPCODE 0000 0000 包括：CLC, STC ④ 双字双