16位计算机cpu电路图,简单16位CPU设计.doc
簡單16位CPU設計
簡單16位CPU設計
一、實驗內容
完成從指令系統到CPU的設計，編寫測試程序，通過運行測試程序對CPU設計進行正確性評定。具體內容包括：典型指令系統(包括運算類、轉移類、訪存類)設計；CPU結構設計；CPU的VHDL程序代碼編寫；規則文件與調試程序設計；CPU調試及測試程序運行。
二、實驗目的及要求
1．加深對計算機的基本概念、基本原理和基本結構的理解；
2．掌握計算機組成與系統結構方面的基本設計、分析與實現方法；
3．掌握典型16CPU設計方法；
4．熟練掌握VHDL語言及應用，完成對CPU各功能模塊的代碼描述，實現各個功能模塊部分的連接，從而形成一個完整的CPU體系結構；
5．學會利用先進的硬件設計工具軟件Quartus II對程序進行仿真和調試；
6．掌握基于“TEC-CA試驗教學系統”進行CPU調試的方法。
實驗儀器設備
(1)TEC-CA試驗教學系統；
(2)虛擬儀器平臺；
(3)計算機。
(4)實驗環境
實驗方案設計
指令系統設計
指令系統的作用和地位
指令系統是從程序設計者看到的機器的主要屬性，是軟、硬件的主要界面。
指令系統是計算機系統結構的主要組成部分。
指令系統是軟件與硬件分界面的一個主要標志。
指令系統是軟件與硬件之間互相溝通的橋梁。
指令系統的設計規范
設計的原則：支持編譯系統能高效、簡易地將源程序翻譯成目標代碼。
正交性：指令字段編碼相互獨立。
規整性：相似操作有相同的規定。
可擴充性：操作碼冗余。
對稱性：A-B=》A；A-B=》B，便于編譯。
CPU中操作數的存儲方法
CPU中操作數的存儲方法是各種指令集結構之間最主要的區別所在，其影響運算器的組織。
CPU中用來存儲操作數的存儲單元主要有：
(1)堆棧；
(2)累加器；
(3)一組寄存器；
通用寄存器型指令集結構的主要優點：
(1)使編譯器有效地使用寄存器;
(2)在表達式求值方面，比其它類型指令集結構，具有更大的靈活性;
(3)寄存器可以用來存放變量；
a.減少存儲器的訪問量，加快程序的執行速度。(因為寄存器比存儲器快)
b.可以用更少的地址位來尋址寄存器，從而可以有效改進程序的目標代碼大小。
由于通用寄存器型指令系統存在諸多的優點因此我們選擇通用寄存器型指令結構。
指令格式與功能
ADD DR,SR
0000 DR SR 0000 0111指令編碼：
0000 DR SR 0000 0111
功能：DR DR+SR，影響C和Z標志，PC PC+1。
INC DR
0001 DR SR 0000 0111指令編碼：
0001 DR SR 0000 0111
功能：DR DR+1，影響C和Z標志，PC PC+1
SUB DR,SR
0010 DR SR 0000 0111指令編碼：
0010 DR SR 0000 0111
功能： DR DR-SR，影響C和Z標志，PC PC+1
DEC DR
0011 DR SR0000 0111指令編碼：
0011 DR SR0000 0111
功能：DR DR-1，影響C和Z標志，PC PC+1
AND DR，SR
0100 DR SR 0000 0011指令編碼：
0100 DR SR 0000 0011
功能：DR DR and SR，影響Z標志，PC PC+1
OR DR，SR
0101 DR SR 0000 0011指令編碼：
0101 DR SR 0000 0011
功能：DR DR or SR，影響Z標志，PC PC+1
NOT DR
0110 DR SR 0000 0011指令編碼：
0110 DR SR 0000 0011
功能：DR not SR，影響Z標志，PC PC+1
MOV DR，SR
0111 DR SR 0000 0001指令編碼：
0111 DR SR 0000 0001
功能：功能：DR SR，不影響標志位，PC PC+1
1000 0000 0000 0000 ADR
1000 0000 0000 0000
ADR
指令編碼：
功能：PC ADR
JNC ADR
1001 0000 ADR -@-1指令編碼：
1001 0000 ADR -@-1
功能：如果C=0，則PC ADR；如果C=1，則PC PC+1
JNZ ADR
1010 0000 ADR -@-1指令編碼：
1010 0000 ADR -@-1
功能：如果Z=0，則PC ADR；如果C=1，則PC PC+1
MVRD DR
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