片上计算机系统课程设计CPU模型机设计.docx

哈尔滨理工大学 软件学院

课程设计报告

课 题 班 专 学 学

程片上计算机系统

目CPU模型机设计

级集成14-2班

业集成电路设计与集成系统 生

号

指导教师

2016年07月8日

索引:

TOC \o "1-5" \h \z 课程设计的目的及要求3

HYPERLINK \l "bookmark6" \o "Current Document" 处理器的设计思想和设计内容3

HYPERLINK \l "bookmark8" \o "Current Document" 设计处理器的结构和实现方法3

HYPERLINK \l "bookmark2" \o "Current Document" 模型机的指令系统4

HYPERLINK \l "bookmark10" \o "Current Document" 处理器的状态跳转操作过程4

CPU 的 Verilog 代码

7.模型机在Quartus

7.

模型机在Quartus II环境下的应用

16

1618

16

18

仿真波形

课程设计的总结

课程设计的目：

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 会贯通木课程各章节的内容，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。

处理器的设计思想和设计内容:

我设计的是16位cpu, 5位的操作码，18条指令，其中包含了 4种寻址方 式。内存容量为2ko

这个CPU是参考学姐的程序，在学姐的程序的基础上增加了一些指令得到 的。

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

1514131211

109

87

6 5 4 3 210

OP

Rx

Ry

空白

格式2：立即数寻址方式

151413121110 9876543210

OP

I

空匚1

格式3：无操作数寻址方式

15141312111010

OP

白

空口

格式4：直接寻址方式

1514131211109876543210

OP

Addr

内存(2的11次方)

CPU的指令集:

操作码

0P

IR(15..12)

令式 指格

指令的助记

符

指令的内容

00000

3

Idle

无操作PC二PC+1

00001

2

Load Data

ro《i 立即数操作

00010

1

Move Rx Ry

Rx《(Ry)POPC+l

00011

1

Add Rx Ry

Rx e(Rx)+(Ry)PC=PC+1

00100

1

Sub Rx Ry

Rx e(Rx)?(Ry)POPC+l

00101

1

AND Rx Ry

Rx《(Rx) AND(Ry)PC=PC+1

00110

1

OR Rx Ry

Rx《(Rx) OR (Ry)PC=PC+1

00111

1

XOR Rx Ry

Rx C(Rx) XOR (Ry) POPC+l

01000

1

NAND Rx Ry

Rx《(Rx)NAND(Ry)PC=PC+1

01001

1

NOT Rx

Rx

01010

1

SHR Rx Ry

逻辑循环右移POPC+l

01011

1

SHL Rx Ry

逻辑循环左移PC=PC+1

01100

1

SWAP Rx Ry

A《(Ry)Ry《(Rx)Rx《(A)

PC=PC+1

01101

4

JMP Addr

PC^AddrPC=PC+1

OHIO

4

JZ Addr

If (R0)=0 then PC^Addr

elsePC=PC+1

01111

4

READ

RO^(Addr) POPC+l

10000

4

WRITE

Addr^(RO)POPC+l

10001

3

STOP

无操作PC保持不变

U!模型机的指令系统

U!

模型机的指令系统

五.处理器的状态跳转操作过程:

(一)、模型机毎一状态下的操作及状态跳转

当前状 态

执行操作

次态与读下一条指令的有关的操作

St_O

取指令

IR(15..0)^M data in (15..0)

St_l

Write-Read《'O'PC 二 PC+1

St_l

IF OP=Load THEN

R0e“00000000000(F||IR(10??7)

MARGP