模型机课程设计剖析.docVIP

哈尔滨理工大学 软件学院 课程设计报告 课 程 片上计算机系统 题 目 CPU模型机设计 班 级 集成12-1班 专 业 集成电路设计与集成系统 学 生 张 铭 学 号 1214020130 指导教师 崔林海 2014年 07 月 02日 索 引： 1．课程设计的目的及要求………………………………………3 2．处理器的设计思想和设计内容………………………………3 3．设计处理器的结构和实现方法………………………………3 4．模型机的指令系统……………………………………………4 5．处理器的状态跳转操作过程…………………………………4 6. CPU的VHDL代码……………………………………………7 7. 模型机在Quartus II环境下的应用…………………………32 8. 仿真波形………………………………………………………33 9. 课程设计的总结………………………………………………35 课程设计的目的及要求： 目的：了解Quartus II软件的应用，学习Quartus II环境下设计CPU的基本过程；掌握CPU设计代码的含义以及CPU的工作原理；了解CPU与内存RAM间的连接数据的传输过程；学习在Quartus II环境下建立模型机的具体过程。融会贯通本课程各章节的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高使用软件仿真工具和集成电路的基本技能。培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验。 要求：以《计算机组成与设计》书中123页的简化模型为基础，更改其指令系统，形成设计者的CPU，在Quartus II环境下与主存连接，调试程序，观察指令的执行是否达到设计构想。 处理器的设计思想和设计内容： 处理器的字长为16b；包括四种指令格式，格式1、格式2、格式3的指令字长度为8b，格式4的指令字长度为16b；处理器内部的状态机包括6个状态。 关于CPU： 操作码5位，一共设计20条指令，主要包括空操作指令、中断指令、加法指令、减法指令、三种逻辑运算指令、循环移位操作指令，数据传输指令，转移类指令，特权指令，取反，取绝对值等等。 关于RAM： 地址线设置成16bits，主存空间为64words。 书中原CPU的主要修改： 模型机CPU指令集中的逻辑左移与逻辑右移改成逻辑循环右移与逻辑循环左移。 模型机CPU指令集中的or改成not。 模型机CPU指令的执行流程及状态跳转。 设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 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP Rx Ry 空白 格式2：立即数寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP I 空白 格式3：无操作数寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP 空白 空白 格式4：直接寻址方式 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OP Addr 内存（2的12次方） 模型机的指令系统 CPU的指令集： 操作码OP IR(15..12) 指令 格式 指 令 的 助 记 符 指 令 的 内 容 00000 3 Idle 无操作 PC=PC+1 00001 2 Load Data R0(I 立即数操作 00010 1 Move Rx Ry Rx ((Ry) PC=PC+1 00011 1 Add Rx Ry Rx ((Rx)+(Ry) PC=PC+1 0100 1 Sub Rx Ry Rx ((Rx)-(Ry) PC=PC+1 00101 1 AND Rx Ry Rx ((Rx) AND(Ry) PC=PC+1 00110 1 NOT Rx Ry Rx ((Rx) NOT (Ry) PC=PC+1 00111 1