计算机设计-CPU设计-计算机实验.pdf
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院实验报告：CPU设计与实现课程名称：计算机设计与实践课程类型：必修目录CPU设计与实现.1CPU设计.31.设计思路图.32.内部信号设计.3二模块设计.41.BEATER：节拍生成器.42.MEMI0：内存10访问接口.43.T0取指模块.54.T1运算模块.55.T2读写周期.66.T3回写周期.6CPU设计L设计思路图节拍生成器BEAT节拍内逻辑TO:取指周期T1：运算周期T 2:读写周期T 3:回写周期指令计数器PC指令寄存器IR四1 境存器ADDR运算器结果ALU暂存器RTEMP更新寄存器Rdata更新指令计数器PCnew地址总线ABUS数据总统DBU2信息接口，I。地址QADKW 据 10而 _访存控制、I。控制2.内部信号设计1)控制信号BEAT：节拍信号Order：指令信号2)T0取指周期TOJOMAR：取指周期所用的指令地址3)T1运算周期Tl_T3PCupdate：零旗帜，主要用于辅助判别是否要对指令地址进行更新Tl_IOMMAR_T3PCnew：生成地址，在存数、取数指令中作为数据地址，在条件跳转、无条件跳转指令中作为更新指令地址；Tl_T2Rtemp_IOMMDR：运算器输出，根据指令的不同分别送入回写缓存或数据总线低八位4)T2读写周期T2_T3Rdata：回写缓存5)T3回写周期T3_T1REG：回写缓存T3_TOPCupdate：决定是否更新指令地址T3_T0PC：更新指令地址6)内存10访问接口IOM_TOIR：完整的十六位数据总线，作为指令；IOM_T2Rtemp：低八位数据总线，作为回写缓存;二模块设计1.BEATER：节拍生成器输入：CLK(l)：时钟信号RST(l)：重置信号输出：B E A T (3 d o w n t o 0)：节拍信号重置信号有效时输出为0 0 0 0;否则，从 1000开始,每过一个时钟周期循环右移一位2.MEMIO：内存10访问接口控制：C L K(l)：时钟信号R S T(l)：重置信号B E A T (3 d o w n t o 0):节拍信号O r d e r (1 5 d o w n t o 0)：指令输入：P C o u t (1 5 d o w n t o 0)：指令地址A D D R o u t (1 5 d o w n t o 0)：数据地址A L U o u t (7 d o w n t o 0):运算器输出输出：R t e m p(7 d o w n t o 0)：回写数据I R(1 5 d o w n t o 0)：取得指令交互端口：主存-A B U S (1 5 d o w n t o 0)：地址总线D B U S(1 5 d o w n t o 0)：数据总线n M R E Q(l)n R D(l)n W R(l)n B H E(l)n B L E(l)1/0-I O A D(1 d o w n t o 0)I O D B(7 d o w n t o 0)n P R E Q(l)n P R D(l)n P W R(l)在重置信号有效时，输出与所有交互端口都输出高阻；否则，考察节拍情况。如为第一拍10 0 0,则地址总线接指令地址，主存选中并读有效，数据高低位传送，取得指令接数据总线，其余端口与输出均输出高阻；如为第二拍0 1 0 0,输出与所有交互端口都输出高阻;如为第三拍0 0 1 0,则根据指令高五位决定动作一如为00100存数指令，则地址总线接数据地址，数据总线低八位接运算器输出，主存选中并写有效，数据低位传送，其余端口与输出均输出高阻；一如为00101取数指令，则地址总线接数据地址，回写数据接地址总线低八位，主存选中并读有效，数据低位传送，其余端口与输出均输出高阻；一如为0 1 0 0 0 输入指令，则 1 0 地址接指令中的对应数据，回写数据接1 0 数据，I。选中并读有效，其余端口与输出均输出高阻；一如为0 1 0 0 1 输H i 指令，则 I。地址接指令中的对应数据，。数据接运算器输出，1 0 选中并写有效，其余端口与输出均输出高阻；如为其他指令，所有交互端口与输出均输出高阻：如为第四排0 0 0 1,所有输出与端u均输出高阻。3.T0取指模块控制：C L K(l)：时钟信号R S T(l)：重置信号B E A T (3 d o w n t o 0):节拍信号内部信号：P C (1 5 d o w n t o 0)：指令地址I R (1 5 d o w n t o 0)：指令输入：P C i n(1 5 d o w n t o 0)：更新指令地址P C u p d a t e(l)：指令地址更新信号I R i n(1 5 d o w n t o 0)：取得指令输出：P C o u t (1 5 d o w n t o 0)：目前指令地址I R o u t (1 5 d o w n t o 0)：输出指令在重置信号有效时，输出与所有交互端口都输出高阻；否则，考察节拍情况。如为第一拍1 0 0 0,则输出指令接输入指令，其余端口输出高阻;如为第二拍0 1 0 0,在时钟下跳沿为指令地址进行自增操作；如为第三拍0 0 1 0,不改变接线；如为第四排0 0 0 1,若指令地址更新信号有效，则指令置为更新指令地址。4.T1运算模块控制：C L K(l)：时钟信号R S T(l)：重置信号B E A T (3 d o w n t o 0):节拍信号O r d e r (1 5 d o w n t o 0)：指令内部信号：P C (1 5 d o w n t o 0)：指令地址I R (1 5 d o w n t o 0)：指令A、B：运算器寄存器输入：R d a t a i n (7 d o w n t o 0)：更新数据输出：Z F(1)：零旗帜A D D R o u t (1 5 d o w n t o w n 0)：生成地址A L U (7 d o w n t o 0)：运算器结果运算模块内部又可分为三个子模块：运算器、通用寄存器与数据地址寄存器。运算器由运算器寄存器、运算器结果和零旗帜组成，仅 在 0 1 0 0 拍工作，默认把指令中R i字段对应寄存器值送进A,把指令中Rj字段对应寄存器值送进B,运算结果为零时零旗帜置1,而后根据指令高五位进行工作：对于加减指令00000.00001,对运算寄存器执行相应运算，并把运算结果送到端口；对于寄存器转存指令00010,直接将B送到运算结果；对于立即数转存指令00011,将指令低八位送到运算结果；对于存数指令00101和条件跳转00110,将 A送到运算结果；对于无条件跳转00111,将 00000000送到运算结果；对于输出指令01001,将 A 送到运算结果；其余情况下，运算结果一律置为高阻。通用寄存器模块在0100拍时，负责把寄存器值送入运算寄存器，在 0001拍时，根据指令决定是否读入更新寄存器值，并改写对应的寄存器。数据地址寄存器模块仅在0100拍工作，把指令低八位送到生成地址低八位，而 把 R7送到生成地址高八位，而后根据指令高五位工作：对于存数指令00101,把生成地址送入内存10访问端口；对于条件跳转00110和无条件跳转00111,把生成地址送入回写模块的更新指令地址；其余情况下送出值为高阻。5.T2读写周期控制：C L K(l)：时钟信号R S T d)：重置信号B E A T (3 d o w n t o 0):节拍信号O r d e r (1 5 d o w n t o 0)：指令输入：A L U o u t (7 d o w n t o 0)：运算器输出l O m o u t (7 d o w n t o 0)：1 0 主存输出输出：R t e m p o u t (7 d o w n t o 0)：回写缓存在 0010拍，回写缓存根据指令类型读入运算器结果或数据总线低八位；在 0001拍，把回写缓存送往寄存器。6.T3回写周期控制：C L K(l)：时钟信号R S T(l)：重置信号B E A T (3 d o w n t o 0):节拍信号O r d e r (1 5 d o w n t o 0)：指令输入：R t e m p(7 d o w n t o 0)：回写缓存P C n e w i n (1 5 d o w n t o 0)：更新指令地址Z F(1)：零旗帜输出：P C u p d a t e(l)：更新指令地址信号P C n e w(1 5 d o w n t o w n 0)：更新指令地址R d a t a(7 d o w n t o 0)回写数据在 0100拍，读入零旗帜，在指令高五位为00110条件跳转或00111无条件跳转时，更新指令地址信号置1。在 0001拍，根据指令类型输出回写数据、回写指令地址或高阻。三仿真波形L节拍发生器Name ValueJr Clkrstbeatout3:0cclk_period10100010000 psU U ITU_ r-LG D Gi_ riooo oiX)X 0010 X 0010CX)1 Y 1000 0 ps2.主存10端口NameValue1 1 1 1 1 1 1 1 190i n s i 1 10I0l lnsi&elk0_r_r&rst0A 飞 beat3X)100000(0(_ 中 order15:000000000000X X X X X X X X X X JO O O O O R S pcout15:000000000000 y addrout15:000000000000 飞 aluout7:000000000ooocxO O P k dbus15:011111111111uuuuinnnnuuuuuuu y dbusout15:011111111111iniuuuinnnuuuuuinj1111113 R j iodbin7:0uuuuuuuu y iodbout7:0uuuuuuuu R8 rtemp7:0zzzzzzzz R8 m5:011111111111ZZZZZZZZ2zzzzzzz(-A*abus15:000000000000ZZZZZZZZ2zzzzzzzJoocxxxxA Y ioad(lX)zzIfe clk_period10000 psiorder7:0 01000111u r n111:【010重置信号有效期间，访存控制字全1,其余端口输入高阻I Name1 Value90 ns 1100 ns 1110 ns 120 n*pcout(lSX)000000000000000000(00000000A Q dddrcxit15:000000000000(XXXXXXX ooooooooAaluoutpxi11111111000000001111:111 R0 dbus15XJz z z z z z z z z z zu nm m m nnnm uuu)zzzzzzzz 1ZZZZZZr、一 dbusout(15：0ZZZZZZZZZZ2u ruutmjuuuuunnju)zzzzzzzzzzzzzzz*iodbinpOuuuuuuuuunin uuuu*iodboutp)uuuuuuuucum JUUU*rtemppoz z z z z z z zZZZ2 zzzz，忧3 0 11111111111z IZZZIZZZZZZZZZZ111111111111111A*abus15)z z z z z z z z z z zz rzzzzzzzzzzzzzz；0000000000000-zzzzzzzzzzzzzzzJ R f ioadL0zz2z1*clk_period10000 paXO(X)ptA lorderp)1111111111111111)；01000111；11111111zzzzzzzz1111 1111J立即数转存指令I Name1 Value1 一150 QB 1160 ns 170 ns 1180 ns 190 ns 1200 ns 1&dk0LW l R8 beat13:0A R!order15X)pcout(15:0Aaddrout15 0*aluoutp：0 y dbus(15:0 Y dbu$out15OA W9 odbinp：0)odbout7:0rtempP：0*0010000000000000000000000000000000000011111111z z z z z z z z z z zz z z z z z z z z z zUUUUUUXJUuuuuuuuuz z z z z z z z11111111111000110000100:001000)1;1000000II 0000001111oo 00000000000X0oooooooooooooocx000000000000000(X l l l ll l lz z z z z z-1111111111111-zzzzzzzz ZZZZZZZz z z z z z-zzzzzzzzzzzzzzzzuuuuuuuuuuuuuuuuzzzzzzzz111111111111111口，abu$15 0z z z z z z z z z z az z z z z z-；0000000000000:zzzzzzzz rzzzzzzz：0000000蟹 ioad(lX)dk_period*orderp：0zz10000 pa11111111IZXOOOO pt0100011111111111:zzzzzzzz1111 1111;:01000111加法指令NameValue.1.310 ns4 dkQ r s t4由切000010_l-1000；:0100:A orderflSPI 0 0 1 0。011101)000010010000-r q pcout15)中 addrout15:0 飞 aluoutp：0 dbus15:0 -dbusout15:0 中 iodbinp)iodbout7:0 +rtempP：0 R8 H15:0 1 abus15:0 R!ioadL01ft clk_period Y iorderp：00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0z z z z z z z zo o o o o o o o zz zo o o o o o o o zz zuuuuuuuuuuuuuuuuz z z z z z z z1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0zz1 0 0 0 0 p s0 0 1 0 0 1 1 1_1111 L illmi i i i i mi -1、zz z z z z z z z z z z z-111111111111 )zz z z z z z z z z z z z-00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-)zzzzzzzzzzzzz0100011111111111320 ns330 ns340 ns350 ns 1_r一r；0010:00:10000010001110100011-(XXXX 00000000000ocxxx 00000000000oooooooozzzzz-oooooooozzzzz-zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz):1111111111111:I JUUUUUUI uuuuuuu2zzzzzzz11111 11111111111zzzzzzzzzzooooooo o o o o o o-：zzzzzzzz：ooooooooooooo-10000 ps00100111 ;1111 1111):01000111)存数指令|Name1 Value500 ns510 ns 520 ns 530 ns 1540 ns 550 ns dk10R0 beat3X)100010000100；0010)oc)11000)|00000zzzzzzzzzzzzzzzz：OOOOOOOOOOOOOOOQ1111111111X111 x:iruuuuvuuz z z z z z z z z z zzzzzzzzzzz NZZZZoooooooc XXJOOOOO_、ZZZZZZZZZZ2zzzzzzzzzz rzzzzz_ oooooooc XXXXXXX)bUUUubbuUUVUUlR111 1X11z z z z z z z zzzzzz ZZ2z z z z z z z zzzzzzz:z:)zzzzzzzzz z z z z z z z z z z一zzzzzzzzzzzzzzzz000000000000000000000000000OOOOOCXXXXXXX)-zzzzzzzz zzzzzzzzzzzz8 )zz10000 pa_ 10000p_01000111二0100011111111111:11111010)(1111 1111:01000211 1输入指令I Name1 Value540 ns 550 ns560 ns570 ns 1580 nt590 ns地dk地rst壁 beat3D10000100011000:0 1 80010;_ 00 21 orde，15:0I 0100001100t)010000100000:01001000 xxxxxxR0 pcout(15:0 addrout15:0+aluoutp：0dbus15:0dbusout(15:0)+iodbinp：0飞 iodbout7:0R j rtempP：0.ir15:0+abuslS:ORg ioadl)逐 clk_period*iorderp：000000000000z z z z z z z z z z zuuuuuuuu000000000000000000000011111111z z z z z z z zz z z z z z z zz z z z z z z z z z zz z z z z z z z z z zzz10000 p s111111110000000000 00000_zzzzzzzzzzzzzzaooooooooooooooouuuuuuuu11111111000000(000000(90000:5oooo:zzzzzzzzzzzzzzzzrzzzzzrzIZZZZZJZmi nIzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz tzzzz30000000000000000000000000000zzzzzzzzzzZZZZZIZz:00:10000s11111111010001111111111111111001111Xi l l输出指令3.取指模块I Name1 Value60 ns 80 ns100 ns 1120 ns 140 ns 160 ns 吆elk&r s t *bMt【3:0J L,000100I 00000000000011110000000011101010010000000000010000 p sCr-T llj-000(0010)(00Q-X 0010 X )T-X loop X oiX 01”jQ-X 0010/o o0101001111111000 X oicX01100001001地 peupdate pcin15:0，！irin15X)飞 pcout15.0腺 clk_period000000000(000000:1X110000 XXXXXXX)000000000(000000:01110101 x u in i)on o o o o i X1U111000000000(000000;00000000 XXXXXJ01):00000000 XXXXXJ10100(0 psNameI Value，1 1 I,1 ,200 ns 1220 ns 1240 ns 1260 ns 280 ns 1300 ns1，8 Edk00ri r-r-c j_ rY j-_ r+beat3:0J01000010 D O)1 X looo r oiK)X 1 X oo)1 x 1 X o i)0 X 0010 X 8)1 x looo x 0】a rout15I o m o i o i o o J01100001(X)111：i i y o n：)10100111011X 0111X o i 100001001H ill&peupdate0 R!pcn(15X00000000000_000000000010000+irin(15D011101010010111010 0011101101110101 0111111OHM00100111111 R0 pcout(15)OOOOOOOOOOGOOOOOO-；(X 000000000X0000oooooooc)0010001oooooooa)0010010.poo 4.运算模块I NameI ValueSO ns1(X120 ns X40 ns160 ns.180 ns,2Q&dk0-nCi-Tilj-.rnLJ-_rn_i-l&r s t0 beat3O10000000X0 0：。:ooio x 0 c)1 X 1 0 0 0:0100 X 00100001;o rd e r(1 5 0|ooooooooooq00X000110000000:000110(1001X0000 *rdatainp)0 0 0 000000 XX XXX)0000111100110000Q z fz y addrout(15 0z z z z z z z z z z zzzzzzzzZZZZZZZZ R0洲 卬 必ZZZZZZZZzzzzzzzu00001111)zzzzzz：Z PC 110000零旗帜仅在运算周期改变，下一周期前维持不变。5.读写模块01000000000000000000m order(15:0alu?omoutp：0rtempo1 x 1001C-0 3：000000 KJOOOOOOOOO0001:0000000I I I【000X100X00X1000L0000000090001X11；,oonooo00000000ZZZZZZZZZZZZZZZZ0000111X)znz till 00110000b e a t 010000000001I order15:0|o o io o o i.lioaluoutpDiomoutpOrtempout7X)ZZZZZZZZZZZZZZZZ，500 ns520 ns 1540 ns 560 ns 1军,叱一600 ns-1 r-r-r-rYj-_r i Lr _m r-|-00)11000；0100；0010 7 oc)1 x 1000:(0 1 0 0 0010:0001:100000001001000)0010001000X10100011X-?XXXMzzzzzzzZZlrzzzz11101110X11011101OOOOXX)1ZZZZZZZZ6.回写模块I NameI Value60 ns 80 nc 1100 ns120 ns(140 ns 1160 ns&elk0产广r d r _ r L r 一 LLIHIJ-_rrst0“beat3010000001000:0100)0010 00)1 X 10000100-r|口 g order115吗|o o o n o o o o o q(XXXXXXXXXXX 000000011000(X00 411【000rtempp.-O00000000_00a 0000_:”8 1 8 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自顶而下的设计思路最初，我设计电路时仍沿用以往设计具体部件的思路，着眼于每个部件，从具体电路开始直接设计。但刚开始设计运算模块时我就发现，这种思路会给设计带来极大的不便，往往会陷入任意调用信号而不知来源的境况。于是我改变思路，从指令出发，划分每个动作所应处于的节拍，进而明确信号的需求，从而设计各个模块。果然，设计效率极大提高。2.不要滥用时钟跳变最初，我的设计非常依赖时钟跳变，经常借助跳变来分隔不同的动作。但实际上，有很多动作可以并行执行，也不必划分在不同跳变沿上；对于访存指令和10指令，甚至有必要使用电平触发以保证稳定性。因此我取消了很多条边条件，改用电平触发。3.不要滥用进程进程的意义是构建时序逻辑；但很多时候，我们用组合逻辑就能解决问题。这个时候就应该用赋值语句等直接解决问题，使用进程降低效率。4.结构复用在运算器模块中，很多不同的操作其实可以标准化为相同的结构；尽管对于部分指令，这么做显得繁琐，但经过这样的标准化可以反复利用相同的结构，使得实际的电路比较简单。附：各指令对应的数据流首先为取指模块的数据流动；此后所有指令数据流都相同，故不做赘述。而后便是根据不同指令，各个模块间的数据流动。
