计算机设计与实践第9讲.pdfVIP

计算机设计与实践 第九讲 移动计算研究中心 向 琳 本讲内容 微处理器设计实例 实验目的 根据计算机组成原理课程所学的知 识和本课程所讲的设计思想，设计 一个给定指令系统的处理器，包括 VHDL语言的实现 FPGA 芯片的编程实现 对处理器的结构和计算机系统的整体工作过 程有深刻的了解 为以后应用和设计处理器系统打下基础 实验要求 给出处理器的设计方案 用VHDL语言实现处理器的设计 将设计下载到FPGA 实验板的 FPGA0 芯片中进行实际测试，要求 观察显示输出 FPGA 实验板 采用南京伟福实业有限公司研制的“COP2000计算机组 成原理实验仪” ，通过FPGA扩展板在COP2000 实验仪 上完成实验 处理器 晶体振荡器 处理器的设计方案 给出处理器的设计方案，要求包括： 指令格式设计 微操作的定义 节拍的划分 处理器结构设计框图及功能描述 各功能模块结构设计框图及功能描述 各模块输入输出接口信号定义（以表格形式给出） 进度安排 VHDL语言实现处理器设计 在设计方案通过后，方可进入实际设计 环节，要求采用结构化设计方法，用 VHDL语言实现处理器的设计。设计包 括： 各模块的详细设计（包括各模块功能详述，设计方 法，VHDL语言实现等） 各模块的功能测试（每个模块作为一个部分，包括 测试方案、测试过程和测试波形等） 系统的详细设计（包括系统功能详述，设计方法， VHDL语言实现等） 系统的功能测试（包括系统整体功能的测试方案、 测试过程和测试波形等） 处理器功能及指令系统定义 该处理器在给定的指令集下构建， 支持十条指令 假定主存可以在一个时钟周期内完 成一次存取操作，而且可以和CPU 同步工作 系统使用一个主存单元：指令读取 和数据访问都使用同一组存储器 处理器功能及指令系统定义 处理器的指令字长为16位，包含 8个8位通用寄存器R0~R7 1个16位的指令寄存器IR 1个16位的程序计数器PC 取指令时，可以直接从主存中提取16位 的指令信息，而进行数据访问时，与主 存进行8位的数据交换。处理器的地址总 线宽度是16位，数据总线宽度也是16位 ，无论是取指还是数据访问，都使用同 一组数据总线，只是数据信息的宽度不 同 处理器功能及指令系统定义 加法指令ADD Ri, Rj 减法指令SUB Ri, Rj 寄存器传送指令MOV Ri, Rj 立即数传送指令MVI Ri, X 存数指令STA Ri, X 取数指令LDA Ri, X 条件转移（零则转）指令JZ Ri, X 无条件转移指令JMP X 输入指令IN Ri, PORT 输出指令OUT Ri, PORT 处理器接口信号定义 第一步：指令格式设计 ADD Ri,Rj Ri ←Ri+ Rj SUB Ri, Rj Ri ←Ri - Rj MOV Ri, Rj Ri ←Rj MVI Ri, X Ri ←X 给 LDA Ri, X Ri ←[R7//X] 定 STA