單周期cpu設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2025-07-21 03:37 本頁(yè)面
【正文】 元進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。 寄存器組寄存器組是作為保存數(shù)據(jù)的器件，故應(yīng)使用時(shí)鐘觸發(fā)的D觸發(fā)器（DFFE），等待一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)將數(shù)據(jù)傳出去。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為16位CPU，故每個(gè)寄存器應(yīng)為16位，即每個(gè)寄存器是由16個(gè)D觸發(fā)器擴(kuò)展而成?？紤]到指令從寄存器取數(shù)位數(shù)為3位，所以可以設(shè)置8個(gè)寄存器用于保存數(shù)據(jù)，如果是寫(xiě)地址的3位指令通過(guò)74138（38譯碼器）譯碼作為寄存器的有效EN使能端輸出數(shù)據(jù)；如果是讀地址的3位指令數(shù)據(jù)通過(guò)8位擴(kuò)展數(shù)據(jù)選擇器（LPMMUX）選擇數(shù)據(jù)輸出。 控制器控制器是作為CPU控制信號(hào)產(chǎn)生的器件，通過(guò)產(chǎn)生控制信號(hào)，使其他器件有效或無(wú)效，因此控制器的設(shè)計(jì)顯得尤為重要?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要如下：先必須自己設(shè)計(jì)好各功能指令的4位01碼（指令的[1512]），然后針對(duì)某個(gè)控制信號(hào)，找出使其為1的功能指令，對(duì)每個(gè)功能指令的0位上取非，然后4位相與，之后將所有為1的功能指令相或，結(jié)果作為此控制信號(hào)。對(duì)每個(gè)控制信號(hào)執(zhí)行重復(fù)操作，控制器也就是這些信號(hào)的組合。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器分為兩種類(lèi)型：一種是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，另一種是地址存儲(chǔ)器ROM?？紤]到設(shè)計(jì)的方便，否則使用寄存器設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器也是可行的。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為RAM型，表示可讀可寫(xiě)，所以數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器有4個(gè)端口，當(dāng)寫(xiě)信號(hào)有效時(shí)，應(yīng)給出寫(xiě)的地址及數(shù)據(jù)，再加上時(shí)鐘信號(hào)，這里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用軟件封裝好的RAM1PORT存儲(chǔ)器。指令存儲(chǔ)器為ROM型，表示只讀，所以地址存儲(chǔ)器有2個(gè)端口，應(yīng)給出讀的地址信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)這里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用軟件封裝好的ROM1PORT存儲(chǔ)器。 PC計(jì)數(shù)器PC計(jì)數(shù)器主要作為執(zhí)行一條指令后，地址自動(dòng)加1到指令存儲(chǔ)器中取16位指令作為此輪操作。故PC計(jì)數(shù)器應(yīng)能等待一個(gè)時(shí)鐘后將加1后的數(shù)據(jù)送至指令存取器中，所以它應(yīng)包括ALU累加器（一端為1）和寄存器（當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，將數(shù)據(jù)輸出），書(shū)中還包括一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，用于設(shè)置PC的值，以至于不會(huì)無(wú)限增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)J指令。 數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器主要是解決數(shù)據(jù)來(lái)源問(wèn)題，通過(guò)控制信號(hào)使數(shù)據(jù)選擇器選擇的數(shù)據(jù)端口不同，此數(shù)據(jù)選擇器可選用軟件封裝的2選1選擇器。 ALU單元ALU單元主要用于將輸入端的兩個(gè)數(shù)做加減操作，通過(guò)控制信號(hào)01的變化產(chǎn)生運(yùn)算，該ALU可以使用軟件封裝的加減ALU（LPMADDSUB），當(dāng)控制信號(hào)為1時(shí)作加法，為0時(shí)作減法。 符號(hào)擴(kuò)展單元符號(hào)擴(kuò)展單元主要用于將不夠16位的指令數(shù)據(jù)擴(kuò)展成16位，作為輸入數(shù)據(jù)的一端參與數(shù)據(jù)選擇器運(yùn)算，這里我們僅考慮最簡(jiǎn)單的擴(kuò)展方式：將不足16位的指令數(shù)據(jù)由高位向低位依次補(bǔ)0直至數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位。四、 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì) 指令處理流程一般來(lái)說(shuō)，CPU在處理指令時(shí)需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程：（1）取指令(IF)：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的指令地址，從指令存儲(chǔ)器中取出一條指令，同時(shí)PC根據(jù)指令字長(zhǎng)度自動(dòng)遞增產(chǎn)生下一條指令所需要的指令地址，但遇到“地址轉(zhuǎn)移”指令時(shí)，則控制器把“轉(zhuǎn)移地址”送入PC，當(dāng)然得到的“地址”需要做些變換才送入PC。（2）指令譯碼(ID)：對(duì)取指令操作中得到的指令進(jìn)行分析并譯碼，確定這條指令需要完成的操作，由指令的[1512]位產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)中的各種操作。（3）指令執(zhí)行(EXE)：根據(jù)指令譯碼得到的操作控制信號(hào)，具體地執(zhí)行指令動(dòng)作，然后轉(zhuǎn)移到結(jié)果寫(xiě)回狀態(tài)。（4）存儲(chǔ)器訪問(wèn)(MEM)：所有需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器的操作都將在這個(gè)步驟中執(zhí)行，該步驟給出存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)地址，把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)地址所指定的存儲(chǔ)單元或者從存儲(chǔ)器中得到數(shù)據(jù)地址單元中的數(shù)據(jù)。（5）結(jié)果寫(xiě)回(WB)：指令執(zhí)行的結(jié)果或者訪問(wèn)存儲(chǔ)器中得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)回相應(yīng)的目的寄存器中。圖4 單周期CPU指令處理過(guò)程 指令格式詳細(xì)設(shè)計(jì)本次CPU設(shè)計(jì)主要有5條功能指令，分別為ADD、SUB、LW、SW、J指令，對(duì)這5個(gè)功能指令的控制碼分別設(shè)定為0101/0110/1001/0001/1010，現(xiàn)對(duì)5條指令各自的指令格式進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1） ADD指令0101（4位）rs（3位）rt（3位）rd（3位）reserved此ADD加法指令完成的功能是：將rs3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)和rt3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)相加，結(jié)果數(shù)據(jù)存放至rd3位對(duì)應(yīng)的寄存器的位置，reserved作為保留位。（2） SUB指令0110（4位）rs（3位）rt（3位）rd（3位）reserved此SUB減法指令完成的功能是：將rs3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)和rt3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)相減，結(jié)果數(shù)據(jù)存放至rd3位對(duì)應(yīng)的寄存器的位置，reserved作為保留位。（3） LW指令1001（4位）base（3位）rt（3位）offset（6位）此LW指令完成的功能是：將base3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)和offset6位擴(kuò)展成16位數(shù)據(jù)相加，結(jié)果作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址，取出地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存放到rt3位對(duì)應(yīng)的寄存器中。（4） SW指令0001（4位）base（3位）rt（3位）offset（6位）此SW指令完成的功能是：將base3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)和offset6位擴(kuò)展成16位數(shù)據(jù)相加，結(jié)果作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址A，將rt3位對(duì)應(yīng)的寄存器的數(shù)據(jù)取出來(lái)，存放到A地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器單元中。（5）J指令1010（4位）target（12位）此J指令完成的功能是：將12位地址零
環(huán)評(píng)公示相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1