基于vhdl的简易cpu的设计和实现new

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1、学术探讨应用技术与研究基于VHDL的简易CPU的设计和实现宋沛罗琼（广州大学物理与电子工程学院，广州番禺510006）[摘要]采用EDA技术，以VHDL为硬件描述语言，以QuartusII6.0为开发环境，选用Altera公司CYCLONE系列的EP1C6Q240C8N芯片作为目标芯片，设计实现了一个简易微处理器。主要介绍了其中两个模块：控制器模块和总线模块，使VHDL的设计者对“自顶向下”的设计方法和状态机的设计和使用有更深入的了解。[关键词]现场可编程门阵列；超高速集成电路硬件描述语言；EDA；微处理器去。它还

2、有一个数据输出端，将数据送至ALU去进行算术运1．引言算。ALU为算术逻辑部件，将其简化为一个二进制补码加法现代电子设计技术的核心是EDA（ElectronicDesign器／减法器。寄存器B，将要与A相加减的数据暂存于此寄Automation）技术。EDA技术是依赖计算机作为硬件平台，以存器。输出寄存器O，计算机运行结束时，累加器A中存有大规模可编程逻辑器件及集成电路为设计载体，设计者在答案。如要输出此答案，就得送入O。D为二进制显示器，这EDA软件平台上，使用以描述硬件电路的功能、信号连接关是用发光二极管(LE

3、D)组成的显示器。每一个LED接到寄存系及定时关系的语言HDL（即硬件描述语言）完成文件设器O的一位上去。当某位为高电位时，则该LED发光[5]。计，再经由计算机自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、优化、布局布线、以及逻辑优化和仿真测试，直至完成对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门[1]技术。本文采用EDA技术,以VHDL为硬件描述语言，以[2][3]QuartusII6.0为开发环境，采用“自顶向下”的设计方法，选[4]用Altera公司CYC

4、LONE系列的EP1C6Q240C8N芯片作为目标芯片，设计实现了一个简易微处理器。在使更多人理解并接触微处理器的同时，为设计和使用IP核打下基础。此简易微处理器，虽在性能上不能与商用CPU相提并论，但“麻雀虽小，五脏俱全”。2．简易CPU的系统结构此简易微处理器的结构特点是：功能简单，只能做两个图1简易微处理器结构[6]数的加减法；内存量小，只有一个16×8ROM；字长为8位，输出用二进制8位显示。简易微处理器的总体结构如图13．基于VHDL的简易CPU的设计和实现所示。简易微处理器共分十个部分。PC是程序计数器

5、，每次运行之前，先复位至0000，当取出一条指令后，PC加1，为了用VHDL分别实现图1中的所有部件，其中最重要的简化，将其计数范围设定为0000～1111。也就是说，存储指是控制部件CON和总线部件W的设计和实现，其它部件实令和数据的PROM的地址范围为0000～1111，共16个存储现较简单（其它部件多为在时钟下降沿触发的异步清零同步单元，每个存储单元是8位。MAR是存储地址寄存器，接收使能的寄存器或计数器），这里不做详细介绍。来自PC的二进制程序号，作为地址码送至PROM去。IR是3.1控制部件的设计和实现指

6、令寄存器，从ROM接收到指令字，同时将指令字分送到控制部件CON的功能如下：控制部件CON_MODEL（高4位）和W总线（低4位）上去。每次运行之前，发出CLR=1，使有关的部件清0。此时：CON是控制部件，主要负责将指令寄存器IR送来的高4位PC=0000IR=00000000译成12位的控制信号，由此控制信号指挥其它功能部件的能根据IR送来的指令发出12位的控制字：运作。A为累加器，用以储存计算机运行期间的中间结果，CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO。它能接收W总线送来的数据，也能将数据送

7、到W总线上根据控制字中各位的置1或置0情况，计算机就能自动————————————————作者简介：宋沛，女，河南长垣人，硕士，讲师，研究方向：计算信息技术及应用、电子设计自动化。—62—学术探讨应用技术与研究地按指令程序有秩序地运行。表3执行周期3个节拍每个指令所对应的控制字3.1.1简易CPU的指令系统（CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO）为了简化系统我们将此微处理器的指令精简为5条，都节拍采用直接寻址的方式。具体指令见表1。控制字CONT3T4T5表1简易微处理器的指令系统指令LDA00

8、1001000000000100100000000000000000操作码（即8位指令中助记符功能的高4位）ADD001001000000000100000010000000100100LDA0000将数据（指令的低4位给出数SUB001001000000000100000010000000101100据地址）装入累加器AOUT000000010001000