hnu 数字电路实验5 CPU大综合

一、设计目的
完整、连贯地运用《数字逻辑》所学到的知识，熟练掌握 EDA 工具基本使用方法，为学习好后续《计算机原理》课程做铺垫。

二、设计内容
① 按照给定的数据通路、数据格式和指令系统，使用 EDA 工具设计一台用硬连线逻
辑控制的简易计算机；
② 要求灵活运用各方面知识，使得所设计的计算机具有较佳的性能；
③ 对所设计计算机的性能指标进行分析，整理出设计报告。

三、详细设计
3.1设计的整体架构
模型机的基本结构和整体框架大致如下面三张图所示。

3.2各模块的具体实现
1.寄存器组+ALU+移位逻辑
①　寄存器组
设计寄存器组，包括寄存器组的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

clk为时钟信号，WE为写入使能，RA和WA分别为对应源和目的的地址，i为从总线上输入到寄存器组的8位信号，S,D分别为寄存器组的源口输出和目的口输出。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，A,B,C信号分别为A,B,C三个寄存器，用于储存中间信号。
当时钟处于下降沿并且WE信号为‘0’时（WE信号为逆逻辑信号，低电平时有效），根据WA信号，在A,B,C三个寄存器中选择对应的寄存器存储总线来的输入i（WA=“00”选择A寄存器，WA=“01”选择B寄存器，WA=“10”选择C寄存器）；其余时候，A,B,C寄存器内值不变。
S,D口输出不受时钟沿控制，换句话说，S口D口随时有数据输出。根据RA信号，在A,B,C三个寄存器中选择对应的寄存器内的值，从S口输出（RA=“00”输出A，RA=“01”输出B，RA=“10”或“11”输出C）；根据WA信号，在A,B,C三个寄存器中选择对应的寄存器内的值，从D口输出（WA=“00”输出A，WA=“01”输出B，WA=“10”或“11”输出C）。

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看，在时钟下降沿且WE=‘0’时，根据输入i和WA信号，在A,B,C寄存器中分别储存了00000001,00000010,00000011的值，在后续的读取操作中，当RA=’00’时，S口输出A寄存器中的00000001,；当RA=’01’时，S口输出B寄存器中的00000010,；当RA=’10’时，S口输出C寄存器中的00000011,；同理，D口也受WA控制输出对应寄存器中的值。
可见，寄存器组可以完成预计的指令。

②　ALU
设计ALU，包括ALU的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

M=1表示ALU进行逻辑运算操作，包括或运算、非运算；输入s1位指令的高四位，用于区分ALU发生的不同函数操作；S,D分别接收来自寄存器组S口、D口输送来的信号；T为经过函数发生器后的八位输出信号；cf用于存储进位位，zf用于记录输出是否为0值，若输出为0则zf值为1，反之zf为0。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，trans1,trans2信号分别为D口输入、S口输入值的九位信号（最高位为进位位）。
当M=‘1’时，进行逻辑运算。如果指令的高四位s1=”1011”，进行或运算，s1=“0101”，进行非运算，此时cf和zf的值不变。
当M=‘0’时，进行算术运算。如果指令的高四位s1=”1001”,进行’+’运算，进位位存储在cf中，若计算结果为0，则zf=1，否则zf=0；指令的高四位s1=”0110”,进行’-’运算，借位位存储在cf中，若计算结果为0，则zf=1，否则zf=0；指令的高四位s1=”1111”,进行MOVE操作，此时直接将S口的输入输出即可，zf,cf值均为0；指令的高四位s1=”1010”,进行移位操作，此时直接将S口的输入输出到移位逻辑即可，zf,cf值均为0；

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看，M=0,sl=1001，进行加法运算：T=S+D=15+63=78，此时无进位，进位位cf=0；T不为0，zf=0；T=S+D=0+0=0，此时无进位，进位位cf=0；T为0，zf=1；T=S+D=64+249=57(+266),此时进位位cf=1；T不为0，zf=0。
M=0，sl=0110，进行减法运算：T=S-D=26-15=11,此时无借位，借位位cf=0；T不为0，zf=0；T=S-D=0-1=0，因为采用转化为补码运算，此时有借位，cf=1；T为0，zf=1；T=S-D=15-26=(-)11，此时借位位cf=1；T不为0，zf=0。
M=1，sl=1011，进行或逻辑运算。T=S OR D=12(00001100) OR 19(00010011)=31(00011111)；M=1，sl=0101，进行非逻辑运算。T=NOT D=NOT 63(00111111)=192(11000000)。
M=1，sl=1111，输出S，T=S=27；M=1，sl=1010，输出D，T=D=77。
可见，ALU可以完成预计的指令。

③　移位逻辑
设计移位逻辑，包括移位逻辑的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

Fbus,flbus,frbus分别控制移位逻辑的直通、左移位和右移位；a为ALU到移位逻辑的输入；cf存储左移或者右移时移位最大的那一个信号值；w为移位逻辑的八位数出。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，fbus=’1’时，直通，输出w=a，cf为0；flbus=’1’时，进行左移操作，同时cf储存最高位；frbus=’1’时，进行右移操作，同时cf储存最低位。

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看，fbus=1，flbus=frbus=0，a向量11110000直达通过移位模块，输出w为11110000，此时cf保持原值不变；flbus=1，fbus=frbus=0，a向量11110000左移一位，输出w为11100001，并将第一位的移位数值1传给cf；frbus=1，fbus=flbus=0，a向量11110000右移一位，输出w为01111000，并将最后一位的移位数值0传给cf。
可见，移位逻辑可以完成预计的指令。

2.PC+多路选择器+RAM
①　PC
设计ALU，包括ALU的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

clk为时钟信号，LD_PC,IN_PC分别控制PC的加载和累加；a为总线对PC的输入，c为PC对多路选择器的输出。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，trans信号为PC的初始默认值。
时钟下降沿时，如果IN_PC=‘1’ 并且 LD_PC=‘0’，PC进行自加1；如果IN_PC=‘0’ 并且 LD_PC='1，PC加载a输入；其他情况时，PC值不变。
当时钟不处于下降沿的其他时间，PC值不变。

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看：
处于时钟下降沿，IN_PC=1，LD_PC=0，对c进行自加操作，c=00000000+00000001=00000001；
处于时钟下降沿，IN_PC=0，LD_PC=1，对c进行传输a值操作，c=a=10101010；
处于时钟下降沿，IN_PC=1，LD_PC=0，对c进行自加操作，c=10101010+00000001=10101011；
处于时钟下降沿，IN_PC=1，LD_PC=0，对c进行自加操作，c=10101011+00000001=10101100；
处于时钟下降沿，IN_PC=0，LD_PC=1，对c进行传输a值操作，c=a=10101010；
处于时钟下降沿，IN_PC=0，LD_PC=1，对c进行传输a值操作，c=a=10101010。

可见，PC可以完成预计的指令。

②　多路选择器
设计多路选择器，包括多路选择器的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

x,y,z分别接收来自PC、S口、D口的输入信号；s为WADD选择器的选择输入值，通过s来控制选择哪组数据；d为多路选择器的选择输出。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，当s=”00”时，d口输出来自PC的x信号；当s=”01”时，d口输出来自S口的y信号；当s=”10”时，d口输出来自D口的z信号；其余以后多路选择器不输出信号，即输出高阻”ZZZZZZZZ”。

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看，s=00，输出d=x=1；s=01，输出d=y=2；s=10，输出d=z=3；其余时间无输入，对应输出高阻。

可见，多路选择器可以完成预计的指令。

③　RAM
设计RAM，包括RAM的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计和功能设计实现如下图：

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看：
时钟信号处于上升沿，DL=1，XL=0，进行读取操作，RAM从目的地址[0]处读取数据，从输出口输出，DATAOUT=[0]=0；
时钟信号处于上升沿，DL=1，XL=0，进行读取操作，RAM从目的地址[1]处读取数据，从输出口输出，DATAOUT=[1]=1；
时钟信号处于上升沿，DL=0，XL=1，进行写入操作，RAM从将输入DATAIN写入目的地址[1]处，[1]=10，此时输出DATAOUT=[1]=10；
时钟信号处于上升沿，DL=1，XL=0，进行读取操作，RAM从目的地址[1]处读取数据，从输出口输出，DATAOUT=[1]=10；；
其余时间，当DL=XL=0时，输出DATAOUT=Z为高阻。
可见，RAM可以完成预计的指令。

3.指令译码器+指令寄存器
①　指令译码器
设计指令译码器，包括指令译码器的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

EN为指令译码器的使能信号；IR为来自总线的数据输入；MOVA,MOVB,MOVC,ADD,SUE,OR0,NOT0,RSR,RSL,JMP,JZ,JC,IN0,OUT0,NOP,HEAL为对应的指令操作。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，对应指令系统表，选择相应的指令。

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看：
输入为11111101，查表可知对应指令为MOVA，此时MOVA为1，其余为0；
输入为11110110，查表可知对应指令为MOVB，此时MOVB为1，其余为0；
输入为11110111，查表可知对应指令为MOVC，此时MOVC为1，其余为0；
输入为10011010，查表可知对应指令为ADD，此时ADD为1，其余为0；
输入为01100110，查表可知对应指令为SUE，此时SUE为1，其余为0；
输入为10110000，查表可知对应指令为OR0，此时OR0为1，其余为0；
输入为01011000，查表可知对应指令为NOT0，此时NOT0为1，其余为0；
输入为10101000，查表可知对应指令为RSR，此时RSR为1，其余为0；
输入为10101011，查表可知对应指令为TSL，此时TSL为1，其余为0；
输入为00110000，查表可知对应指令为JMP，此时JMP为1，其余为0；
输入为00110001，查表可知对应指令为JZ，此时JZ为1，其余为0；
输入为00110010，查表可知对应指令为JC，此时JC为1，其余为0；
输入为00101000，查表可知对应指令为IN0，此时IN0为1，其余为0；
输入为01000000，查表可知对应指令为OUT0，此时OUT0为1，其余为0；
输入为01110000，查表可知对应指令为NOF，此时NOP为1，其余为0；
输入为10000000，查表可知对应指令为HALT，此时HALT为1，其余为0。
可见，指令译码器可以完成预计的指令。

②　指令寄存器
设计指令寄存器，包括指令寄存器的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

clock为时钟信号，ld为指令寄存器的使能信号；input为指令译码器的输入，output为指令寄存器的对应输出。

功能设计实现部分如下图：

功能设计实现部分如上图，当时钟处于下降沿并切使能信号ld=’1’时，指令寄存器让信号进入；否则，在其他时间指令保持原值。
可见，指令寄存器可以完成预计的指令。

4.SM
设计SM，包括SM的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

SM_EN为指令译码器的使能信号；clk为时钟信号；z为SM的输出。

功能设计实现部分如下图：

当时钟处于下降沿，并且使能信号为1时，SM值取反；否则，在其他情况下SM保持不变。

5.CF
设计CF，包括CF的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

EN为CF的使能信号；clk为时钟信号；x为上一次cf的值；cf为CF的输出。

功能设计实现部分如下图：

当时钟信号处于下降沿，并且使能信号为1时，CF加载行数值，否则保持不变。
6.ZF
设计SM，包括SM的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

EN为指令译码器的使能信号；clk为时钟信号；zf为SM的输出。
功能设计实现部分如下图：

当时钟信号处于下降沿，并且使能信号为1时，CF加载行数值，否则保持不变。

7.控制逻辑生成
设计控制逻辑生成，包括控制逻辑生成的接口设计、功能实现、功能仿真。
其中，接口设计如下图：

MOVA,MOVB,MOVC,ADD,SUB,OR0,NOT0,RSR,RSL,JMP,JZ,JC,IN0,OUT0,NOP,HALT,SM,CF,ZF，IR为对应的指令输入，RAA，RWBA，WE，ALU_S，M,F_BUS,FR_BUS,FL_BUS,LD_PC,IN_PC,MADD,XL,DL,LD_IR,CF_EN,ZF_EN,IN_EN,OUT_EN,SM_EN为对应指令的使能信号。
功能设计实现部分如下图：

功能仿真如下图所示：

从波形仿真来看：
输入为11110110，查表可知对应指令为MOVB，此时MOVB为1，其余为0；
输入为11111101，查表可知对应指令为MOVA，此时MOVA为1，其余为0；
输入为11110111，查表可知对应指令为MOVC，此时MOVC为1，其余为0；
输入为10011010，查表可知对应指令为ADD，此时ADD为1，其余为0；
输入为01100110，查表可知对应指令为SUE，此时SUE为1，其余为0；
输入为10110000，查表可知对应指令为OR0，此时OR0为1，其余为0；
输入为01011000，查表可知对应指令为NOT0，此时NOT0为1，其余为0；
输入为10101000，查表可知对应指令为RSR，此时RSR为1，其余为0；
输入为10101011，查表可知对应指令为TSL，此时TSL为1，其余为0；
输入为00110000，查表可知对应指令为JMP，此时JMP为1，其余为0；
输入为00110001，查表可知对应指令为JZ，此时JZ为1，其余为0；
输入为00110010，查表可知对应指令为JC，此时JC为1，其余为0；
输入为00101000，查表可知对应指令为IN0，此时IN0为1，其余为0；
输入为01000000，查表可知对应指令为OUT0，此时OUT0为1；
输入为01110000，查表可知对应指令为NOF，此时NOP为1，其余为0；
输入为10000000，查表可知对应指令为HALT，此时HALT为1，其余为0。

可见，控制逻辑生成的部件可以完成预计的指令。

8.CPU顶层文件设计
顶层文件的设计如下图所示：
此图是最初一版，采取直接拉线的方式，结果页面上全是各种交错混杂的线，给纠错和检查造成了很大困扰。

这张是经过改良后的页面，采用命名拉线，解决了“蜘蛛网”眼花缭乱的困扰，在这个基础上检查也轻松了很多。为了检查输出，拉出了很多引脚。

这是在测试数据通过后，将引脚删去，并且加上触发器连上板的bfd文件。

四、系统测试
4.1 测试环境
在Cyclone中选用EP1C3T100C8芯片，进行仿真测试。

4.2 测试代码

这17步操作逐步验证了全部的16条指令。

mif文件：

4.3测试结果
从模拟的测试数据可以看出，正确的输出是“11100111”，经过波形仿真后，可以看到结果无误。

外接板后，板的输入为16（00010000），可以看到输出为11100111，输出无误。

4.4 模型机性能分析
进行时序仿真

最小周期为32.184ns,在设置时钟信号时，我最初采用的是40ns是合适的。

性能分析如图：

五、总结
心得体会：
本次实验，我学到了很多，有知识方面的，也有精神方面的。
知识方面，我进一步深入地学习了Quartus的操作，学会了根据自己的设计来生成元件，理解了简单CPU的运行原理，知道了各种指令的详细运行方式；并且试着去制作这样一个简单的CPU器件。
尽管这次实验我还有很多不足之处，但还是让我收益良多。我试着静下心来一个指令一个指令去分析，哪一个指令应该对应哪些信号的变化，这锻炼了我的思维方式；同时，一遍一遍不厌其烦地纠错、一次又一次的推到重来，磨炼了我的心智，一次次的推导缜密了我的思维；在向别的同学请教的过程中，我也发现自己和别的优秀同学之间还有很大的差距，值得我在日后向他们学习，跟上优秀同学的步伐。