计算机设计与实践第9讲

计算机设计与实践

移动计算研究中心

向琳

第九讲

本讲内容

微处理器设计实例

实验目的

根据计算机组成原理课程所学的知识和本课程所讲的设计思想，设计一个给定指令系统的处理器，包括

VHDL语言的实现

FPGA芯片的编程实现

对处理器的结构和计算机系统的整体工作过

程有深刻的了解

为以后应用和设计处理器系统打下基础

实验要求

给出处理器的设计方案

用VHDL语言实现处理器的设计

将设计下载到FPGA实验板的FPGA0芯片中进行实际测试，要求观察显示输出

FPGA

上完成实验

处理器

晶体振荡器

处理器的设计方案

给出处理器的设计方案，要求包括： 指令格式设计

微操作的定义

节拍的划分

处理器结构设计框图及功能描述

各功能模块结构设计框图及功能描述

各模块输入输出接口信号定义（以表格形式给出） 进度安排

VHDL语言实现处理器设计

在设计方案通过后，方可进入实际设计环节，要求采用结构化设计方法，用VHDL语言实现处理器的设计。设计包括：

各模块的详细设计（包括各模块功能详述，设计方

法，VHDL语言实现等）

各模块的功能测试（每个模块作为一个部分，包括

测试方案、测试过程和测试波形等）

系统的详细设计（包括系统功能详述，设计方法，

VHDL语言实现等）

系统的功能测试（包括系统整体功能的测试方案、

测试过程和测试波形等）

处理器功能及指令系统定义

该处理器在给定的指令集下构建，支持十条指令

假定主存可以在一个时钟周期内完成一次存取操作，而且可以和CPU 同步工作

系统使用一个主存单元：指令读取和数据访问都使用同一组存储器

处理器功能及指令系统定义

处理器的指令字长为16位，包含

8个8位通用寄存器R0~R7

1个16位的指令寄存器IR

1个16位的程序计数器PC

取指令时，可以直接从主存中提取16位的指令信息，而进行数据访问时，与主存进行8位的数据交换。处理器的地址总线宽度是16位，数据总线宽度也是16位，无论是取指还是数据访问，都使用同一组数据总线，只是数据信息的宽度不同

处理器功能及指令系统定义

加法指令ADD Ri, Rj

减法指令SUB Ri, Rj

寄存器传送指令MOV Ri, Rj

立即数传送指令MVI Ri, X

存数指令STA Ri, X

取数指令LDA Ri, X

条件转移（零则转）指令JZ Ri, X

无条件转移指令JMP X

输入指令IN Ri, PORT

输出指令OUT Ri, PORT

处理器接口信号定义

第一步：指令格式设计

MVI Ri, X Ri←X

指令格式设计

指令是由操作码和地址码两部分组成的，由于固定操作

操作码

操作码占据了5位，最多可支持32种指令的设计。目前的指

每条指令的格式描述

指令格式举例

4701

0100011100000001：MVI R7,01H 4111

0100000100010001：MVI R1,11H 6100

0110000100000000：STA R1,00

第二步：微操作及节拍设计

CPU内四个重要寄存器

MAR与地址总线相连，存放欲访问的存储

单元地址

MDR与数据总线相连，存放欲写入存储器

的信息或最近从存储器中读出的信息

PC存放现行指令的地址，具有自动加1的功能

IR存放现行指令

取指阶段微操作

PC→MAR；1→R； M(MAR)→MDR； MDR→IR；

PC+1→PC；