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文檔簡(jiǎn)介
《計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)C》
課程設(shè)計(jì)
適用專業(yè)：電子信息類專業(yè)
專業(yè)：
班級(jí)：
學(xué)號(hào)：
姓名：
指導(dǎo)教師：
實(shí)驗(yàn)學(xué)期：2014-2015第1學(xué)期
西南交通大學(xué)
信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的指令系統(tǒng)及其各指令的操作流程，用VHDL語(yǔ)
言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的處理器模塊，并通過調(diào)用存儲(chǔ)器模塊，將處理器模塊和存儲(chǔ)器模塊
連接形成簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
I.用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的處理器模塊。
2.調(diào)用存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)256x16的存儲(chǔ)器模塊。
3.將簡(jiǎn)單的處理器模塊和存儲(chǔ)器模塊連接形成簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
4.將指令序列存入存儲(chǔ)器，然后分析指令執(zhí)行流程。
三.預(yù)習(xí)要求：1、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單指令集。2、學(xué)習(xí)各指令的操作流程。
四.實(shí)驗(yàn)報(bào)告
1.BLOCK圖
圖1原理圖
內(nèi)存文件:
Addr?0+1?2+3X+5+6?7
000000015002400D0001F0094003100E0
8001E004100A10061008400510028002D
16007B00D0001Eooco001900D0001D00B0
24001300F0000000000000000000000000
3200000000000000000000000000000000
4000000000000000000000000000000000
4800000000000000000000000000000000
5600000000000000000000000000000000
6400000000000000000000000000000000
7200000000000000000000000000000000
80____00000000000000000000000000000000
圖2內(nèi)存文件.Mif
2.程序設(shè)計(jì)
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.ALL;
PACKAGEmypackIS
CONSTANTidle:stdjogic_vector(3DOWNTO0):="0000";
CONSTANTload:stdlogicvector(3DOWNTO0):="0001H;
CONSTANTmove:std_logic_vector(3DOWNTO0):="00l0";
CONSTANTaddx:std_logic_vector(3DOWNTO0):="00ir';
CONSTANTsubp:std_logic_vector(3DOWNTO0):="0100";
CONSTANTandp:std_logic_vector(3DOWNTO0):="0101";
CONSTANTorp:std_logic_vector(3DOWNTO0)
CONSTANTxorp:std_logic_vector(3DOWNTO0):="0111";
CONSTANTshrp:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1000";
CONSTANTship:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1001";
CONSTANTswap:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1010";
CONSTANTjmp:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1011";
CONSTANTjz:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1100";
CONSTANTread:std_logic_vector(3DOWNTO0)
CONSTANTwrite:std_logic_vector(3DOWNTO0):="1110";
CONSTANTstop:stdjogic_vector(3DOWNTO0):="1111H;
ENDmypack;
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.ALL;
USEieee.std_logic_unsigned.ALL;
USEWORK.mypack.ALL;
-------------------------cpu實(shí)體聲明-----------------------
ENTITYcpu2IS
PORT(
reset:INstdjogc;-清零信號(hào)低有效
clock:INstdjogic;一時(shí)鐘信號(hào)
Write_Read:OUTstdjogic;一讀寫信號(hào),T為寫
M_address:OUTstd_logic_vector(11DOWNTO0);??地址線
M_data_in:INstd_logic_vector(7DOWNTO0);-數(shù)據(jù)輸入線
Mdata_out:OUTstd_logic_vector(7DOWNTO0);--數(shù)據(jù)輸出線
overflow:OUTstdjogic);一溢出標(biāo)志
ENDcpu2;
..............................cpuRTL級(jí)行為描述............
ARCHITECTURERTLofcpu2IS
SIGNALIR:std_logic_vector(15DOWNTO0);-指令寄存器
SIGNALMDR:std_logic_vector(7DOWNTO0);--數(shù)據(jù)寄存器
SIGNALMAR:std_logic_vector(11DOWNTO0);一地址寄存器
SIGNALstatus:intftgftrRANGE0TO6;--狀態(tài)寄存器
BEGIN
status_change:PROCESS(reset,clock,status)
BEGIN
IFreset='O'THENstatus<=0;
ELSIFclock'EVENTANDclock='O'THEN
CASEstatusIS
WHEN0=>
status<=1:
WHEN1=>
IFIR(15DOWNTO12)=StopTHEN
status<=1;
ELSE
status<=2;
ENDIF;
WHEN2=>
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENRead|Write|Jmp|Jz|Swap=>
status<=3;
WHENOTHERS=>
status<=0;
ENDCASE;
WHEN3=>
IFIR(15DOWNTO12)=SwapTHEN
status<=0;
ELSE
status<=4;
ENDIF；
WHEN4=>
status<=5;
WHEN5=>
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENRead|Write=>
status<=6;
WHENOTHERS=>
status<=0;
ENDCASE;
WHENOTHERS=>
status<=0;
ENDCASE;
ELSE
NULL;
ENDIF;
ENDPROCESSstatuschange;
seq:PROCESS(reset,clock)
VARIABLEPC:std_logic_vector(11DOWNTO0);--程序計(jì)數(shù)器
VARIABLER0,R1,R2,R3:std_logic_vector(7DOWNTO0);--通用寄存器
VARIABLEA:std_logic_vector(7DOWNTO0);--臨時(shí)寄存器
VARIABLEtemp:stdlogic_vector(8DOWNTO0);-臨時(shí)變量
BEGIN
IF(reset='O')THEN—清零
IR<=(OTHERS=>'0');
PC:=(OTHERS=。);
RO:=(OTHERS=>'0,);
R1:=(OTHERS=>'0')；
R2:=(OTHERS=。)；
R3:=(OTHERS=>'0');
A:=(OTHERS='。')；
MAR<=(OTHERS=。)；
MDR<=.：OTHERS=>'0')；
ELSIFfclock'eventANDclock='1')THEN
overflow<='O';
CASEstatusIS
WHEN0=>-狀態(tài)0
IR<=M_data_in&"00000000";--取指令
PC:=PC+1;-程序計(jì)數(shù)器加1
WHEN1=>--狀態(tài)1
IF(IR(15DOWNTO12)/=stop)THEN
MAR<=PC;
ENDIF;
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENload=>
R0:="0000"&IR(11DOWNTO8；;
WHENshlp|shrp=>
CASEIR(11DOWNTO10)IS-RxtoA
WHEN,,00',=>A:=R0;
WHEN"01"=>A:=R1;
WHEN"10M=>A:=R2;
WHENOTHERS=>A:=R3；
ENDCASE;
WHENMove|addx|subp|andp|orp|xorp|Swap=>
CASEIR(9DOWNTO8)IS-RytoA
WHEN"00"=>A:=R0;
WHEN"01'=>A:=R1;
WHEN"10M=>A:=R2;
WHENOTHERS=>A:=R3;
ENDCASE;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
WHEN2=>--狀態(tài)2
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENaddx=>-Rx:=Rx+A;
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00"=>
temp:=(R0(7)&R0(7DOWNTO0))+(A(7)&A(7DOWNTO
0))；
R0:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
WHEN"01"=>
temp:=(R1(7)&R1(7DOWNTO0))+(A(7)&A(7DOWNTO
0))；
R1:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
WHEN"10"=>
temp:=(R2(7)&R2(7DOWNTO0))+(A(7)&A(7DOWNTO
0))；
R2:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
WHENOTHERS=>
temp:=(R3(7)&R3(7DOWNTO0))+(A(7)&A(7DOWNTO
0))；
R3:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
ENDCASE;
WHENsubp=>-Rx:=Rx-A;
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00"=>
temp:=(R0(7)&R0(7DOWNTO0))+NOT(A(7)&A<7
DOWNTO0))+1；
R0:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
WHEN"01'=>
temp:=(R1(7)&R1(7DOWNTO0))+NOT(A(7)&A<7
DOWNTO0))+1；
R1:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
WHEN"10"=>
temp:=(R2(7)&R2(7DOWNTO0))+NOT(A(7)&A<7
DOWNTO0))+1；
R2:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)xorteTip(7);
WHENOTHERS=>
temp:=(R3(7)&R3(7DOWNTO0))+NOT(A(7)&A<7
DOWNTO0))+1;
R3:=temp(7DOWNTO0);
overflow<=temp(8)XORtemp(7);
ENDCASE;
WHENmove=>
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00M=>R0:=A;
WHEN"01"=>R1:=A;
WHEN"10M=>R2:=A;
WHENOTHERS=>R3:=A;
ENDCASE;
WHENshrp=>
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00M=>R0:='O'&A(7DOWNTO1);
WHEN"01"=>R1:='O'&A(7DOWNTO1);
WHEN"10H=>R2:='O'&A(7DOWNTO1);
WHENOTHERS=>R3:=’0,&A(7DOWNTO1);
ENDCASE;
WHENship=>
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00M=>R0:=A(6DOWNTO0)&'O';
WHEN"01'=>R1:=A(6DOWNTO0)&'O'；
WHEN"10'=>R2:=A(6DOWNTO0)&'O';
WHENOTHERS=>R3:=A(6DOWNTO0)&'O';
ENDCASE;
WHENandp=>-Rx:=RxANDA;
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN-00H=>R0:=R0ANDA;
WHEN"01"=>R1:=R1ANDA;
WHEN"10M=>R2:=R2ANDA;
WHENOTHERS=>R3:=R3ANDA;
ENDCASE;
WHENorp=>-Rx:=RxORA;
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00"=>R0:=R0ORA;
WHEN"01M=>R1:=R1ORA;
WHEN"10M=>R2:=R2ORA;
WHENOTHERS=>R3:=R3ORA;
ENDCASE;
WHENxorp=>-Rx:=RxXORA;
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00"=>R0:=R0XORA;
WHEN"01M=>R1:=R1XORA;
WHEN"10M=>R2:=R2XORA;
WHENOTHERS=>R3:=R3XORA;
ENDCASE;
WHENSwap=>--Swap:RxtoRy;
CASEIR(11DOWNTO8)IS
WHEN"0100"=>R0:=R1;
WHEN"1000"=>R0:=R2;
WHEN"1100"=>R0:=R3;
WHEN"0001H=>R1:=R0；
WHEN"1001M=>R1:=R2;
WHEN"1101"=>R1:=R3;
WHEN"0010"=>R2:=R0;
WHEN"0110"=>R2:=R1;
WHEN"1110"=>R2:=R3；
WHEN"0111"=>R3:=R1;
WHEN"1011"=>R3:=R2;
WHEN"0011"=>R3:=R0;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
WHEN3=>--狀態(tài)3
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENSwap=>-Swap:AtoRx
CASEIR(11DOWNTO10)IS
WHEN"00"=>R0:=A;
WHEN-01M=>R1:=A;
WHEN"10"=>R2：=A；
WHENOTHERS=>R3:=A;
ENDCASE;
WHENjmp|Jz|Read|Write=>
IR(7DOWNTO0)<=M_data_in;-取雙字節(jié)指令的后半部分
PC:=PC+1;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
WHEN4=>--狀態(tài)4
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENjmp=>-無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令
PC:=IR(11DOWNTO0);
MAR<=IR(11DOWNTO0)；
WHENJz=>-條件轉(zhuǎn)移指令
IF(R0="00000000")then
PC:=IR(11DOWNTO0)；
MAR<=IR(11DOWNTO0);
else
MAR<=PC;
ENDIF;
WHENRead=>
MAR<=IR(11DOWNTO0);
WHENWrite=>
MARv=IR(11DOWNTO0);
MDR<=RO;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
WHEN5=>一狀態(tài)5
MAR<=PC;
WHEN6=>--狀態(tài)6
CASEIR(15DOWNTO12)IS
WHENRead=>RO:=M_datajn;
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDprocessseq;
comb:PROCESS(reset,status)
BEGIN
IF(reset='1'ANDstatus=5ANDIR(15DOWNTO12)=Write)THEN
Write_Read<=T;
ELSE
Write_Read<='O';
ENDIF;
ENDPROCESScomb;
Maddress<=MAR;
M_data_out<=MDR;
ENDRTL;
3.仿真波形圖
clock
國(guó)A
國(guó)ep立?nst|\s?4：?C
囹inst|\s?qB0
囹>nst|\s<aRI
回中〃R2
國(guó)R3
回|IB
國(guó)cpxC|MAR
囹>nst|?DR
國(guó))nst|st?tus
S
國(guó)
S??q
ovtrQov
￥rxt?_Re4d
圖3波形圖1
clocknjumnRRnnmuuuuuuinnrLnruuuumnRnnnrLnjuumnnnRnjuuuuuu
reset
回0g：IMS\“qA(99X32xgIX20X64Xqq
回c^n2'inttrcIOOXTCOXroo080)KOX⑸/C8OX劃X網(wǎng)X680XEmX】3X劃X580XD80
回cpr￡：iRst\"QWwX20X03XWXODXR
回cpxi2.iast\5<-qRI99X32X64
(21“G.IANUQK200X20XuX22
回ep?<2:inti\<MKJ8X次
回eyt^'iikttIK8WOX5100X2800X21doX?KK)XDOCO丫101XX1900XDCCOXwinXCOOJXBOOXFOOO
回CJ^12in?t■ABf,OJDXootX81x010XOUX012x013加*OMXOFX016X017加*018X019KCIA
囹cpu2：iftstWDR99
回cp砂.i皿status
回■_44dr?“(13XHX>x1?X17X18X>9?0X20X2.X笠X23/欲24X”X?
(399
回Lq84X51X28X2DX?BXroXIEXco速X19XWXIDX田弟以13XF。X00
“erfl”
Vialw-R?d
圖4波形圖2
解釋如卜.:
操作碼OP指令指令的助記符操作的內(nèi)容
1R(15..12)格式
00003Idle無(wú)操作，PC：=PC+I：(為取下一條指令準(zhǔn)
備地址)
00012LoadDataR0-I；(立即數(shù)I送R0)PC：=PC+1
00101MoveRx.RyRx-(Ry);PCFPC+1
0011
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