东北大学秦皇岛分校计算机组成原理优秀课程设计.doc

东北大学秦皇岛分校
计算机和通信工程学院

计算机组成原理课程设计

指令设计及工作寄存器设计

专业名称

班级学号

学生姓名

指导老师

设计时间

课程设计任务书

专业：计算机和通信工程学院 学号： 学生姓名（署名）：

设计题目：指令系统及工作寄存器设计
1、设计试验条件
综合楼808试验室
硬件：PC机
软件：Xilinx ISE ModelSim
编程语言：VHDL
2、设计任务及要求
1. 指令：7、20、47、60号指令；
2. 工作寄存器W；
3. 二-十进制编码器；
要求：•总线结构:单总线，数据总线位数8位、地址总线8位；
•存放器:内存容量64K*8bit
•控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号
•运算器:单累加器，实现加、减等8种操作
•外设：
–输入：用开关输入二进制量
–输出：7段数码管和LED显示
•指令系统规模：64条指令，7种类型，5种寻址方法

3、设计汇报内容
（1）设计目标：
1、 融会贯通计算机组成原理课程内容，经过知识综合利用，加深对计算机系统各个模块工作原理及相互联络认识；
2、 学习利用VHDL进行FPGA/CPLD设计基础步骤和方法，熟悉EDA设计、模拟调试工具使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术优点；
3、 培养科学研究独立工作能力，取得工程设计和组装调试实践经验。
（2）设计主体：

图1 整机逻辑结构框图

图2 芯片引脚

图3 cpu逻辑结构框图

【设计指令系统】
（1） 设计指令

指令编号
指令助记符
机器码1
机器码2
指令功效
7
ADD A, EM
000110
MM
将存放器MM地址值加入累加器A中
20
SUB C A, #II
010011
II
从累加器A中减去立即数II,减进位
47
_INT_
101110

试验机占用，不可修改，进入中止时，试验机硬件产生_INT_指令
60

RETI
111011

中止返回
表1 指令类型、寻址方法
第7条指令： ADD A, EM
指令类型：算术运算指令
寻址方法：寄存器寻址和直接寻址
第20条指令： SUB C A, #II
指令类型：逻辑运算指令
寻址方法：存放器直接寻址
第47条指令： _INT_
指令类型：转移指令
寻址方法：寄存器间接寻址
第60条指令： RETI
指令类型：转移指令
寻址方法：寄存器直接寻址

（2）控制信号
1、XRD ： 外部设备读信号，当给出了外设地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
2、EMWR： 程序存放器EM写信号。
3、EMRD： 程序存放器EM读信号。
4、PCOE： 将程序计数器PC值送到地址总线ABUS上(MAR)。
5、EMEN： 将程序存放器EM和数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD 决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
6、IREN： 将程序存放器EM读出数据打入指令寄存器IR。
7、EINT： 中止返回时清除中止响应和中止请求标志，便于下次中止。
8、ELP： PC打入许可，和指令寄存器IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
9、FSTC：进位置1，CY=1
10、 FCLC：进位置0，CY=0
11、MAREN：将地址总线ABUS上地址打入地址寄存器MAR。
12、MAROE：将地址寄存器MAR值送到地址总线ABUS上。
13、OUTEN：将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
14、STEN： 将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
15、 RRD： 读寄存器组R0-R3，寄存器R?选择由指令最低两位决定。
16、 RWR： 写寄存器组R0-R3寄存器R?选择由指令最低两位决定。
17、 CN： 决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
18、 FEN： 将标志位存入ALU内部标志寄存器。
19、 WEN： 将数据总线DBUS值打入工作寄存器W中。
20、 AEN： 将数据总线DBUS值打入累加器A中。
21-23: X2~ X0 ： X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上寄存器。
24-26: S2~ S0 ： S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。

（3）指令实施步骤：
表2 指令分解和微操作对应控制信号
编号
助记符
功效
机器码
周期
总数CT
节拍数
微操作
控制信号
1
_FATCH_
取指令
000000XX

T2

PC→MAR
PCOE, MAREN
010
T1

EM→W
EMEN, EMRD, WEN

T0

W→IR
PC + 1→PC
IREN
20
SUBC A, #II
从累加器A中减去间址存放器值,带进位
010011XX

T5
PC→MAR
PCOE MAREN
101
T4
EM→DBUS→W
PC+1→PC
EMEN EMRD WEN

T3
A,W→ALU→F
ALU→A
FEN AEN
7
ADD A, EM
将存放器EM地址值加入累加器A中
000110XX

T7
PC→MAR
PCOE, MAREN

T6
EM→W
PC+1→PC
EMEN EMRD WEN
111
T5
W→MAR

MAREN

T4
EM→W
PC+1→PC
EMEN EMRD WEN

T3
A+W→A
S=001 X=100
AEN
47
_INT_
产生中止
101110XX

T4
PC→DBUS→ST
PCOE, X=011,STEN PC,IA,ST,IR

T3
Z→PC
PC,IA,ST,IR
60
RETI
中止返回
111011XX

T3
ST→PC
ST,DBUS,PC,IR

步骤图：
1、第7条指令 ADD A, EM

PCOE, MAREN
T7
PC→MAR

EMEN EMRD WEN
T6
EM→W
PC+1→PC

W→MAR

MAREN
T5

EM→W
PC+1→PC
EMEN EMRD WEN
T4

S=001 X=100
AEN
T3
A+W→A

2、第20条指令SUBC A, #II
PCOE MAREN
EMEN EMRD WEN
FEN AEN
T3
T5
T4
A,W→ALU→F
ALU→A
EM→DBUS→W
PC+1→PC
PC→MAR
DI

3、第47条指令

PCOE, X=011,STEN PC,IA,ST,IR

PC,IA,ST,IR
T4
PC→DBUS→ST

PC,IA,ST,IR
T3
Z→PC

4、第60条指令

ST,DBUS,PC,IR
T3
ST→PC

【模型及实现（工作寄存器W）】
（1）逻辑电路图形符号表示：

图4 工作寄存器逻辑电路图

图5 工作寄存器RTL逻辑电路图

图5 工作寄存器FDC逻辑电路图

（2）逻辑电路功效：暂存和传送数据
（3）仿真测试：

图6 波形分析图

图7 结果显示图
结果分析：
D为数据输入、R为数据输出、CLK为时序控制、EN为读写控制端、RST为复位端、R为数据输出。所以因为RST为1，即使D端输入数据为：1011，输出端仍为0（从波形能够看出来），EN为0，表示写数据。
（4）VDHLM描述以下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

---- Uncomment the following library declaration if instantiating
---- any Xilinx primitives in this code.
--library UNISIM;
--use UNISIM.VComponents.all;

entity REG is
PORT (CLK : IN STD_LOGIC ;
D : IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);
EN : IN STD_LOGIC;
RST : IN STD_LOGIC;
R: OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0));
end REG;

architecture Behavioral of REG is
SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); --类似于在芯片内部定义一个数据暂存节点

begin
PROCESS (CLK,Q1)
BEGIN
IF (RST = '1') THEN
Q1 <= "0000";
ELSE
IF (CLK'EVENT AND CLK = '1' )THEN
IF(EN = '0') THEN
Q1 <= D ;
ELSE
Q1 <= "XXXXXXXXXXXXXXXX";
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS ;
R <= Q1 ;
end Behavioral;
【逻辑功效实现（二-十进制编码器）】
（1）二-十进制功效表以下所表示：

 （2）逻辑电路设计 
逻辑电路图形符号表示、功效 ：

图8 二-十进制编码器功效将输入数字信号变成对应输出二进制信号

系统实现 
 LIBRARY IEEE; 
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity SY3is
Port ( d : in STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0);
clk : in STD_LOGIC;
e : in STD_LOGIC;
q : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0));
end SY3;

architecture Behavioral of SY3 is

begin
p1:process(d)
begin
if (d(0)='0' AND e='0') THEN
Q<="0000";
ELSIF (d(1)='0' AND e='0') THEN
Q<="0001";
ELSIF (d(2)='0' AND e='0') THEN
Q<="0010";
ELSIF (d(3)='0' AND e='0') THEN
Q<="0011";
ELSIF (d(4)='0' AND e='0') THEN
Q<="0100";
ELSIF (d(5)='0' AND e='0') THEN
Q<="0101";
ELSIF (d(6)='0' AND e='0') THEN
Q<="0110";
ELSIF (d(7)='0' AND e='0') THEN
Q<="0111";
ELSIF (d(8)='0' AND e='0') THEN
Q<="1000";
ELSIF (d(9)='0' AND e='0') THEN
Q<="1001";
ELSIF ( e='1') THEN
Q<="1111";
END IF;
END PROCESS P1;

end Behavioral;

（3）仿真测试
仿真过程以下：
（1） 在sources窗口处右击，加入新源文件
（2）创建波形仿真激励文件.tbw：选Test Bench Waveform，并输入文件名 
（3）初始化时钟周期及相关参数→finish
（4）右侧会出现 .tbw文件窗口，设置输入引脚值，存盘
（5）左侧sources窗口选择“behavioral simulation”,下面processes窗口会自动出现"Modelsim Simulator" 
（6）双击其中“Simulate behavioral model”会自动调用“Modelsim ”进行仿真，观察波形窗口，观察是否正确

图9 波形显示图

 图10  二-十进制编码器结果分析图 
仿真证实：所设计二-十进制编码器能将输入数字信号变成对应输出二进制信号。  
（4）RTL级逻辑电路

图11 RTL级逻辑电路

四.心得和体会
经过此次课程设计我学习到了利用VHDL进行FPGA/CPLD设计基础步骤和方法，熟悉EDA设计、模拟调试工具使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术优点，同时培养科学研究独立工作能力，取得工程设计和组装调试实践经验。 
不过在此过程中也碰到了很多困难，比如在设计开始阶段对于XILINX ISE 和Modelsim SE这两个软件就不会用，经过和同学交流我大约了解了软件使用方法，学习到了很多知识。
五．参考资料
[1]袁静波.计算机组成和结构[M].北京：机械工业出版社,.8.
[2]程晓荣，翟学明，王晓霞. 计算机组成和结构[M].北京：中国电力出版社，. 
[3]陈耀和.VHDL语言设计技术[M]. 北京：电子工业出版社，. 
[4]汉泽西.EDA技术及其应用[M]. 北京：北京航空航天出版社， 
[5]李云松，宋锐．Xilinx FPGA 数据基础（VHDL）版[M] ．陕西：西安电子科技大学出版社，.