CPU指令譯碼器

1、 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題目：CPU 指令譯碼器實(shí)驗(yàn)學(xué) 院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 學(xué)科門(mén)類(lèi) 工 學(xué) 專(zhuān) 業(yè) 12軟件工程 學(xué) 號(hào) 2012436138 姓 名 王賽賽 指導(dǎo)教師 王兵 2014年12月28號(hào) CPU 指令譯碼器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）理解指令譯碼器的作用和重要性 （2）學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)指令譯碼器二實(shí)驗(yàn)原理指令譯碼器是計(jì)算機(jī)控制器中最重要的部分。所謂組合邏輯控制器就是指令譯碼器電路是由組合邏輯實(shí)現(xiàn)的。組合邏輯控制器又稱(chēng)硬連線(xiàn)控制器，是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)中的一種方法。這種控制器中的控制信號(hào)直接由各種類(lèi)型的邏輯門(mén)和觸發(fā)器構(gòu)成。這樣，一旦控制器部件構(gòu)成后，除非重新設(shè)計(jì)和物理上對(duì)它重新連線(xiàn)，否則的話(huà)，要想增

2、加新的功能是不可能的。結(jié)構(gòu)上的這種缺陷使得硬連線(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試變得非常復(fù)雜而且代價(jià)很大。所以硬連線(xiàn)控制器曾一度被微程序控制器所取代。但是隨著新一代機(jī)器及VLSI技術(shù)的發(fā)展，這種控制器又得到了廣泛重視，如RISC機(jī)廣泛使用這種控制器。下圖是組合邏輯控制器的結(jié)構(gòu)方框圖。邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)來(lái)源有3個(gè)：指令操作譯碼器的輸出In；來(lái)自時(shí)序發(fā)生器的節(jié)拍電位信號(hào)Tk；來(lái)自執(zhí)行部件的反饋信號(hào)Bj。邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)就是微操作控制信號(hào)，用來(lái)對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制。組合邏輯控制器的結(jié)構(gòu)方框圖顯然，組合邏輯控制器的基本原理可描述為：某一微操作信號(hào)Cm是指令操作譯碼器的輸出In、時(shí)序信號(hào)（節(jié)拍電位信號(hào)Tk）和狀態(tài)條件

3、信號(hào)Bj的邏輯函數(shù)。即 Cm=f（In，Tk，Bj） 用這種方法設(shè)計(jì)控制器，需要根據(jù)每條指令的要求，讓節(jié)拍電位和時(shí)序脈沖有步驟地去控制器的各有關(guān)部分，一步一步地執(zhí)行指令所規(guī)定的微操作，從而在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一條指令所規(guī)定的全部操作。一般來(lái)說(shuō)，組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟如下。 （1） 繪制指令流程圖為了確定指令執(zhí)行過(guò)程所需的基本步驟，通常是以指令為線(xiàn)索，按指令類(lèi)型分類(lèi)，將每條指令歸納成若干微操作，然后根據(jù)操作的先后次序畫(huà)出流程圖。 （2）安排指令操作時(shí)間表 指令流程圖的進(jìn)一步具體化，把每一條指令的微操作序列分配到各個(gè)機(jī)器周期的各個(gè)時(shí)序節(jié)拍信號(hào)上。要求盡量多的安排公共操作。避免出現(xiàn)互斥。 （3）

4、安排微命令表以微命令為依據(jù)，表示在哪個(gè)機(jī)器周期的哪個(gè)節(jié)拍有哪些指令要求這些微命令。 （4） 進(jìn)行微操作邏輯綜合根據(jù)為操作時(shí)間表，將執(zhí)行某一操作的所有條件（哪條指令、哪個(gè)機(jī)器周期、哪個(gè)節(jié)拍和脈沖等）都考慮在內(nèi)，加以分類(lèi)組合，列出各微操作產(chǎn)生的邏輯表達(dá)式，并加以簡(jiǎn)化。 （5） 實(shí)現(xiàn)電路根據(jù)上面所得邏輯表達(dá)式，用邏輯門(mén)電路的組合或大規(guī)模集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。三實(shí)驗(yàn)要求 1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)本實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)第二章中的實(shí)驗(yàn)CPU中使用的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令譯碼器，指令系統(tǒng)見(jiàn)第二章2.1節(jié)，不在重述。本實(shí)驗(yàn)指令譯碼器的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，節(jié)拍（t1、t2和t3）因素只在存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)需要對(duì)存儲(chǔ)器地址分時(shí)使用考慮，這里暫不考慮

5、節(jié)拍t,也就是說(shuō)微操作控制信號(hào)只是指令操作碼In和Bj的函數(shù)： Cm=f（In，Bj）式子中的In主要代表指令操作碼IR1512，還有輔助操作碼（如算術(shù)邏輯指令的IR2.0，這里要求只考慮指令操作碼IR15.12。Bj代表進(jìn)位標(biāo)志C和結(jié)果為0標(biāo)志Z。 要求產(chǎn)生的微操作控制信號(hào)如下：op_code 控制ALU進(jìn)行8中運(yùn)算操作的3位編碼；c_z_j_flag 為1表示需要條件轉(zhuǎn)移；lj_instruct 為 1表示本條指令是“JMP ADR”指令；DRWr 為1表示在t3的下降沿將本條指令的執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入目的寄存器中；Mem_Write 為1表示本條指令有存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作，存儲(chǔ)器的地址是目的寄存器的內(nèi)

6、容；DW_instruct 為1表示本條指令是雙字節(jié)指令；Change_z 為1表示本條指令是可能改變Z（結(jié)果為0）標(biāo)志； Change_c為1表示本條指令是可能改變C（進(jìn)位）標(biāo)志；sel_memdata為1表示本條指令寫(xiě)入目的寄存器的值來(lái)自讀存儲(chǔ)器。2、頂層設(shè)計(jì)實(shí)體的引腳要求引腳要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：（1） 指令I(lǐng)R1512對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)關(guān)SD3SD0； （2） 進(jìn)位C對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)關(guān)SD4；（3） 結(jié)果為0標(biāo)志Z對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)關(guān)SD5。 控制信號(hào)對(duì)應(yīng)如下：op_code 指示燈R2、R1、R0； c_z_j_flag 指示燈R3； lj_instruct 指示燈R4； DRWr 指示燈R5； Me

7、m_Write 指示燈R6； DW_instruct 指示燈R7； Change_z 指示燈R8； Change_c 指示燈R9； sel_memdata 指示燈R10。四實(shí)驗(yàn)步驟（1）將實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置成FPGA-CPU獨(dú)立調(diào)試模塊，REGSEL=0，CLKSEL=1，F(xiàn)DSEL=0.使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的單脈沖，即STEP_CLK短路子短接，短路子RUN_CLK斷開(kāi)。 （2）將設(shè)計(jì)在Quartus II 下輸入，在編譯后下載到TEC-CA上的FPGA中；（3）撥動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的開(kāi)關(guān)SD5SD0，改變IR15.12、進(jìn)位標(biāo)志C和結(jié)果為0標(biāo)志位Z，觀察指示燈R10R0顯示的控制信號(hào)，并填寫(xiě)下表。 指令譯碼器實(shí)

8、驗(yàn)（C=0且Z=0）指令I(lǐng)R15.12OP2.0c_z_j_flaglj_instructDRWrMem_WriteDW_instructChange_zchange_csel_memdataADDDRSR000000000100110INC DR000100100100110SUBDRSR001001000100110DECDR001101100100110ANDDRSR010010000100100ORDRSR010110100100100NOTDR011011000100100MOVDRSDR011111100100000JMPADR100011101001000JNCADR100111

9、110000000JNZADR101011110000000MVRDDR,DATA110011100100001LDR DR,SR110111100100001STR SR,DR111011100010000指令譯碼器實(shí)驗(yàn)（C=0且Z=1或者C=1且Z=0或者C=1且Z=1）指令I(lǐng)R15.12OP2.0c_z_j_flaglj_instructDRWrMem_WriteDW_instructChange_zchange_csel_memdataADDDRSR000000000100110INC DR000100100100110SUBDRSR001001000100110DECDR001101

10、100100110ANDDRSR010010000100100ORDRSR010110100100100NOTDR011011000100100MOVDRSDR011111100100000JMPADR100011101001000JNCADR100111110000000JNZADR101011100000000MVRDDR,DATA110011100100001LDR DR,SR110111100100001STR SR,DR111011100010000五、實(shí)驗(yàn)代碼library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_ar

11、ith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity instruction_decoder isport (IRH: in std_logic_vector(3 downto 0);c,z: in std_logic;op_code: out std_logic_vector(2 downto 0); c_z_j_flag: out std_logic; lj_instruct: out std_logic; DRWr: buffer std_logic; -為1時(shí)寫(xiě)DR寄存器 Mem_Write: out std_logic; DW_intruct:

12、 buffer std_logic; change_z: out std_logic;change_c: out std_logic;sel_memdata: out std_logic -為1時(shí)存儲(chǔ)器的讀出數(shù)據(jù)作為寫(xiě)入DR的數(shù)據(jù) );end instruction_decoder;architecture behav of instruction_decoder issignal zj_instruct, cj_instruct: std_logic;beginsel_memdata <= IRH(3) and IRH(2) and (not IRH(1);change_z <=

13、 (not IRH(3) and (not IRH(2) or (not IRH(3) and IRH(2) and (not IRH(1) or (not IRH(3) and IRH(2) and IRH(1) and (not IRH(0);change_c <= (not IRH(3) and (not IRH(2);c_z_j_flag <= (zj_instruct and (not z) or (cj_instruct and (not c);DRWr_proc: process(IRH)beginif IRH(3) = '0' then -算術(shù)邏輯指

14、令 DRWr <= '1'elsif IRH(2) = '1' and IRH(1) = '0' then -MVRD DR,DATA;LDR DR,SRDRWr <= '1'elseDRWr <= '0'end if;end process;M_instruct:process(IRH)begincase IRH(3 downto 0) iswhen "1000" | "1100" => -jmp addr;mvrd dr,dataMem_Write

15、 <= '0'DW_intruct <= '1'when "1110" => - str sr,drMem_Write <= '1'DW_intruct <= '0'when others =>Mem_Write <= '0'DW_intruct <= '0'end case;end process;ALUOP_CODE_PROC:PROCESS(IRH)begin if IRH(3) = '0' thenop_co

16、de <= IRH(2 downto 0);elseop_code <= "111"end if;end process;Jinstruct_PROC:process(IRH)begin case IRH(3 downto 0) iswhen "1000" => -jmp adrzj_instruct <= '0'cj_instruct <= '0'lj_instruct <= '1'when "1001" => -jnc addrzj_instruct <= '0'cj_instruct <= '1'lj_instruct <= '0'whe