体系结构实验手册..docVIP

实验 简单CPU设计 实验目的 设计实现简单CPU，熟悉并掌握指令结构，利用verilog编写各个子模块。 实验原理 .CPU设计 CPU概念设计如图1所示： 图1 指令集 设计4条指令简单CPU指令格式：opcode（2）＋ addr（6）表1 指令结构 Inst Op Addr Operation ADD 00 XXXXXX 加 法： AC-AC+M[Addr] AND 01 XXXXXX 逻辑与： AC-ACM[Addr] INC 10 XXXXXX 加 1： AC-AC+1 JMP 11 XXXXXX 跳 转： PC-Addr 3寄存器组织 （1）累加器（AC） a．提供ADD，AND操作的一个操作数 b．存放ADD，AND操作的结果 （2）用户不可见寄存器 a．地址寄存器（AR）：6bit，提供访问存储器单元地址 b．程序计数器（PC）：6bit，存放下一条指令在存储器单元中的地址 c．数据寄存器（DR）：8bit，存放从访问存储器单元的内容 d．指令寄存器（IR）：2bit，存放当前取出的指令的操作码部分 4指令的执行 指令的执行过程如图2： 图2 （1）取指 FETCH1: AR- PC FETCH2: DR- M，PC- PC＋1 FECTH3: IR- DR[7..6]，AR- DR[5..0] （2）执行 ADD1: DR- M ADD2: AC- AC ＋ DR AND1: DR- M AND2: AC- AC ^ DR INC1: AC- AC + 1 JMP1: PC- DR[5..0] （3）寄存器AR: AR-PC; AR-DR[5..0] PC: PC-PC+1; PC-DR[5..0] DR: DR-M IR: IR-DR [7..6] AC: AC-AC+DR; AC-AC^ DR; AC -AC+1 5.CPU数据通路CPU数据通路设计如图3所示： 图3是已经过简化的数据通路，它反映了CPU内部各单元的功能特点： （1）AR只向存储器提供数据 （2）IR不向其他单元提供数据 （3）AC不向其他单元提供数据 （4）AC需保存ALU运算结果 （5）8bit BUS 1、取指令（fetch） 2、分析指令（decode） 3、执行指令（Execute） 4、其他功能：控制程序数据的输入输出、异常处理、中断等 （2）控制信号 控制器中有9条信号线，分别是： PCLOAD ：允许PC置值 PCINC ：允许PC自加1 DRLOAD ：允许DR置值 ACLOAD ：允许AC置值 ACINC ：允许AC自加1 IRLOAD ：允许IR置值 MEMBUS ：控制存储器是否输出 PCBUS ：控制PC是否输出 READ ：读存储器 （3）信号生成逻辑 1.控制信号的线性表达： PCLOAD = JMP1 PCINC = FETCH2 DRLOAD = FETCH1 v ADD1 v AND1 ACLOAD = ADD2 v AND2 ACINC = INC1 IRLOAD = FETCH3 MEMBUS = FETCH2 v ADD1 v AND1 PCBUS = FETCH1 READ = FETCH2 v ADD1 v AND1 2.控制信号的生成逻辑，如图4： 图4 三．实验环境 软件：QuartusII 6，ModelSim 硬件平台：GW48-SOPC/DSP EP1C6Q240 实验步骤 各个子模块的Verilog实现module alu(op,a,b,c); input op; input [7:0] a,b; output [7:0] c; assign c = (op==0)?(a+b):(ab); endmodule （2）IR模块 module ir(clk,load,din,dout); input clk,load; input [1:0] din; output [1:0] dout; reg [1:0] dout; always @(posedge clk) begin if(load) dout = din; end endmodule （3）DR模块 module dr(clk,load,din,dout); input clk,load; input [7:0] din; output [7:0] dout; reg [7:0] dout; always @(posedge clk) begin if(load) dout = din; end endmodule （4）PC模块 module pc(clk,rst,l