简单的CPU取指执行电路设计

简单的CPU取指执行电路设计

 数字积木 2019-10-17

 

【前言】最近手上写了一个练手的小项目，项目的大致要求是实现一个取指，执行电路。取指的指令预存在，从ROM中读取指令后，根据预定的解码规则，对指令进行解码，并执行相对应的操作。发出来和大家共同分享。 该工程的设计要求如下：在ram模块中，储存有初始化的指令数据。我们要设计一个取指电路，并能根据不同的指令执行不同的操作。指令数据为16bit.

指令编码定义如下： 如果指令代码为0，则下一个状态为空闲。如果指令的低位8位为0，高位8位非0，则读取指定高位8位的存储器，并将其写入obuf0。如果指令的低8位非0，且高8位也不是0，则将下8位作为数据，写入地址为上8位的存储器中。 List4显示了指令获取电路。它实例化了五个模块:PC0（程序计数器、8位计数器）、Ir0（指令寄存器、16位计数器）、OBUF0（输出缓冲器、16位计数器）、STATE0（状态机）和RAM0（存储器，8位256字块RAM）。模块pc0用于指定要读取的地址，以便从ram0获取（提取）指令代码。指令代码存储在IR0中。 此指令获取操作在两种状态下执行：fetcha和fetchb。fetcha用于取地址操作，该地址作为读取ram中指令的地址，fetchb用于指令寄存操作，将指令寄存到指令寄存器中。 在execa和execb状态下，执行表1中的操作。如果存储在IR0中的指令代码为0，则下一个状态为空闲。如果指令的低位8位为0，高位8位非0，则读取指定高位8位的存储器，并将其写入obuf0。如果指令的下8位非0，则将下8位写入地址为上8位的存储器。 指令解码列在table1中

顶层代码如图所示：

下面是该工程的测试模块：

下面的ram模块的代码：

状态控制模块的代码：

计数器模块的代码：

设计说明 该工程有以下模块组成： PC0（程序计数器、8位计数器）、Ir0（指令寄存器、16位计数器）、OBUF0（输出缓冲器、16位计数器）、STATE0（状态机）、RAM0（存储器，8位256字块RAM）。 其中，PC0，IR0，OBUF0是例化计数器模块得到的，该计数器模块拥有计数和寄存数据两个功能，分别由端口 inc 和 端口 load 控制。 当 inc有效时，在下一个时钟，会将计数器内部的计数器自增1,并在q端输出。当load信号有效时，在下一个时钟会将D端 的数据寄存到该计数器的寄存器中，并在Q端输出。 PC0利用的是计数器的计数功能，用于产生取指令的地址信息。IR0利用的是计数器的寄存功能，用于将ram中取出的指令暂时寄存。OBUF0利用的是计数器的寄存功能，用于将输出中暂时寄存。 在状态机控制模块中，设置了以下五个状态: IDLE:空闲态。FETCHA:取地址状态。同时将程序计数器的内部计数值加一。FETCHB:取指令，指令寄存状态。将从ram中读出的指令写入到指令寄存器模块中。EXECA:指令解码模块，判断指令的停止，读，写控制信号。如果为写信号，将指令的低8位作为数据写到高8位对应的地址中。如果为读指令，跳转到EXECB状态，将指令的低8位输出。如果停止信号为真3，跳转到空闲状态。EXECB：执行状态。用于将指令的低8位输出。 在ram模块中，储存有初始化的指令数据。 仿真结果如下图：

 

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