模型机CPU设计——ALU函数发生器（6）

2024-05-12 14:34:53

博客简介

本篇博客是实验设计:《模型机CPU设计》整套实验报告内容之一，包括构架，分部件和性能分析三个大的模块，每个模块又细分为小的部分，历时1.5周完成。最后实验验收的分为满分。现在将其分享出来，希望能给后续的实验同学一个参考，少走不必要的弯路，设计出性能更优的CPU。

资源下载

设计CPU时，一路做了有三个版本，链接如下：

CPU1.0版本是第一代版本，由于刚开始设计，没有做性能的优化，此版本的优点是布局间隙大，线路较为清晰，如果你刚开始设计，那么这个版本可以更好地让你迅速设计出一个CPU CPU1.0版本压缩包下载
CPU2.0版本是第二代版本，也是我验收的版本，这个版本对版本一做了布局和时序性能的优化，性能达到了作者当时的巅峰CPU2.0版本压缩包下载
CPU3.0版本是第三代版本，对第2代版本做了更深层次的优化，解决了RAM不稳定的问题CPU3.0版本压缩包下载
这篇博客是整个实验的一部分，全套内容请参考：逻辑与计算机设计基础CPU实验

函数发生器ALU

（1）部件功能：

功能：
1从通用寄存器组中读取内容
2在 S3～ S0 和 M 的控制下，实现运算功能
3 ADD 和 SUB 加减法指令影响状态位 Cf和 Zf。

（2）接口设计：

输入：

S[3…0]为操作类型判断输入
M是总的使能信号
A[7…0]8位数据接入
B[7…0]8位数据接入
输出：
T[7…0]操作的结果
Cf进位标志
Zf结果为0标志

RTL视图

（3）功能实现：

判断S输入，如果
S=”1001”，执行加法，将R1+R2赋值给R1
S=”0110”，执行减法，将R1-R2赋值给R1
S=”1011”，执行或运算，将（R1）∨（R2）赋值给R1
S=”0101”，执行取反运算，/R1赋值给R1
判断加减法是否有最高位的进位或借位，如果有那就将cf=1，否则为cf=0
判断加减操作的结果是否为0，如果是那就将zf=1，否则zf=0
VHDL设计：

（4）功能仿真验证：

仿真结果：

时钟为11ns：A=11111111，B=11111111，此时S=0110执行减法，结果为0，输出T=00000000，进位zf=1；
时钟15ns：A=11111111，B=11111111，此时S=1001，执行加法，输出为T=1111110，此时cf=1；
时钟为16ns：A=1111111，B=11111111，此时S=1011，执行或运算，结果T=11111111，
Cf=0，zf=0；
时钟25ns：A=11111111，B=11111111，，此时S=0101，执行非运算，T=00000000，cf=0，zf=0；

结论：仿真结果满足功能要求，设计正确

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