内容发布更新时间 : 2024/5/19 17:57:59星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

一 设计题目

RISC CPU设计

二 功能简介

RISC 即精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）的缩写。它是计算机的核心部件。计算机进行信息处理可分为两个步骤： 1) 将数据和程序（即指令序列）输入到计算机的存储器中。 2) 从第一条指令的地址起开始执行该程序，得到所需结果，结束运行。CPU的作用是协调 并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列，使其有条不紊地进行。因此它必须具有 以下基本功能： a)取指令：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。

b)分析指令：即指令译码。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求什么操作，并 产生相应的操作控制命令。

c)执行指令：根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列，通 过运算器，存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算 结果的处理以及下条指令地址的形成。 将其功能进一步细化，可概括如下：

1) 能对指令进行译码并执行规定的动作； 2) 可以进行算术和逻辑运算； 3) 能与存储器，外设交换数据； 4) 提供整个系统所需要的控制；

三 主要模块

RISC CPU结构 RISC_CPU是一个复杂的数字逻辑电路，但是它的基本部件的逻辑并不复杂。可把它分成八个基本部件： 1)时钟发生器 2)指令寄存器 3)累加器

4)RISC CPU算术逻辑运算单元 5)数据控制器 6)状态控制器 7)程序计数器 8)地址多路器

四 外围模块

为了检测CPU的工作性能，需适当增加外围模块。需要有存储测试程序的ROM和装载数据的RAM、地址译码器。同时为了显示出流水灯的效果，增加一个分频模块，降低工作频率。

五 各模块程序与仿真结果

1）时钟发生器

clkgenclkresetclk1clk2clk4fetchalu_clkinst

时钟发生器 clkgen 利用外来时钟信号clk 来生成一系列时钟信号clk1、fetch、alu_clk 送往CPU 的其他部件。其中fetch是外来时钟 clk 的八分频信号。利用fetch的上升沿来触发CPU控制器开始 执行一条指令，同时fetch信号还将控制地址多路器输出指令地址和数据地址。clk1信号用作指令寄 存器、累加器、状态控制器的时钟信号。alu_clk 则用于触发算术逻辑运算单元。 时钟发生器clkgen的波形见下图：

程序代码：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity clkgen is

port(clk:in std_logic; reset:in std_logic; clk1:out std_logic; clk2:out std_logic; clk4:out std_logic; fetch:out std_logic; alu_clk:out std_logic); end entity;

architecture behav of clkgen is

type state_type is(s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8); signal state:state_type;

signal x_clk1,x_clk2,x_clk4,x_fetch,x_alu_clk:std_logic; begin

clk1<=not(clk); process(clk,reset) begin

if(falling_edge(clk)) then if(reset='0')then

clk2<='0';clk4<='1';fetch<='0';alu_clk<='0';state<=s1; x_clk2<='0';x_clk4<='1';x_fetch<='0';x_alu_clk<='0'; else

case state is

when s1=>x_clk2<=not(x_clk2);state<=s2;

when s2=>x_clk2<=not(x_clk2);x_clk4<=not(x_clk4);

state<=s3;

when s3=>x_clk2<=not(x_clk2);state<=s4;

when s4=>x_clk2<=not(x_clk2);x_clk4<=not(x_clk4);

x_fetch<=not(x_fetch);state<=s5;

when s5=>x_clk2<=not(x_clk2);state<=s6;

x_alu_clk<=not(x_alu_clk);

when s6=>x_clk2<=not(x_clk2);x_clk4<=not(x_clk4);

state<=s7;x_alu_clk<=not(x_alu_clk);

when s7=>x_clk2<=not(x_clk2);state<=s8;

when s8=>x_clk2<=not(x_clk2);x_clk4<=not(x_clk4);

x_fetch<=not(x_fetch);state<=s1;

when others=>state<=s1; end case;

clk2<=x_clk2;clk4<=x_clk4;

fetch<=x_fetch;alu_clk<=x_alu_clk;

end if; end if; end process; end behav;

2）指令寄存器

opc_register

clk1opc_iraddrs[15..0]

ena

data[7..0]

res

inst1

指令寄存器的触发时钟是clk1，在clk1的正沿触发下，寄存器将数据总线送来的指令存入高8位或低8 位寄存器中。但并不是每个clk1的上升沿都寄存数据总线的数据，因为数据总线上有时传输指令，有 时传输数据。什么时候寄存，什么时候不寄存由CPU状态控制器的load_ir信号控制。load_ir信号通 过ena 口输入到指令寄存器。复位后，指令寄存器被清为零。

每条指令为2个字节，即16位。高3位是操作码，低13位是地址。（CPU的地址总线为13位，寻址空间 为8K字节。）本设计的数据总线为8位，所以每条指令需取两次。先取高8位，后取低8位。而当前取 的是高8位还是低8位，由变量state记录。state为零表示取的高8位，存入高8位寄存器，同时将变量 state置为1。下次再寄存时，由于state为1，可知取的是低8位，存入低8位寄存器中。

程序代码：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;