基于自顶向下方法的CPU的,VerilogHDL描述
(1.内蒙古科技信息研究所；2.内蒙古大学 计算机学院，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：文章阐述了八位简单功能CPU的设计过程，其中 包括指令集的设计、功能模块的设计，并且给出了每条指令的执行过程。最后用VerilogHDL 硬件描述语言对该CPU进行了描述——用MaxPlusⅡ工具进行了代码设计。
关键词：八位CPU设计；VerilogHDL描述；指令集；功能部件
中图分类号：TP334.7 文献标识码：A 文章编 号：1007—6921(2008)16—0201—01
简单的CPU作为数字系统，其设计一般有三种设计方法：自底向上（Bottom Up）、自顶向下 （Top Down）和并行设计方法。①自底向上设计的主要思想是将复杂的系统逐层进行功能 块划分和描述功能块的拓扑连接，直到用底层模块或部件来描述。②自顶向下则是从系统 的需求出发，逐步将设计内容细化。③并行设计运用自底向上和自顶向下设计方法，它要 求设计者开始就考虑产品在整个生命周期的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需 求等。自底向上和并行设计方法有许多的弊端，而自顶向下的方法便于系统级划分和项目的 管理，减少了不少不必要的麻烦，提高了设计的成功率。自顶向下的设计方法具体实施时， 首先从系统设计入手，进行功能划分和需求分析（指令集的设计），给出功能部件的划分。
1 指令集设计
指令集是计算机硬件和软件的接口，它直接影响着CPU的结构。一个完整的计算机指令应该 能够有效地执行算术操作、逻辑操作、数据存取操作以及程序控制分支操作等。指令应该包 含三个部分：操作码、目的操作数地址和源操作数地址。
八位CPU指令集按功能分为算术运算指令、逻辑指令、数据传送指令、比较指令、访存指令 、跳转指令、I/O指令和测试指令。
2 八位CPU架构设计
八位CPU采用集中式的控制单元，取来的指令经过译码产生控制信号给其他模块使指令运行 。文章主要介绍八位CPU的功能模块划分和指令运行的过程。
2.1 功能模块的划分
八位CPU由控制器、运算器（算术逻辑单元）、指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、数 据寄存器、启停模块和四个通用寄存器组成。
2.2 指令的执行过程
八位CPU共有17条指令。一条指令执行时：①CPU根据指令地址从存储器中读出指令来 ，传送到指令寄存器，指令寄存器再传给控制器。②控制器根据操作码进行译码，产生相 应的控制信号。③执行指令。本文中的八位CPU最多需要六个周期T1～T6执行完一条指令。
3 八位CPU的VerilogHDL描述
八位CPU由控制器、运算器（算术逻辑单元）、指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、数 据寄存器、启停模块和四个通用寄存器组成。
3.1 运算器
运算器有四个控制信号，分别是ENALU、LEFT、LOADA和LOADB。需要输入操作码opcode［3∶ 0］决定具体操作。算术左移和算术右移指令的前四位机器码是一样的，不能用opcode［3∶ 0］来决定进行什么操作，所以在控制器对指令译码的时候如果是左移操作要产生LEFT信号 给运算器。LOADA和LOADB是装操作数的信号。
3.2 控制器
控制器从指令寄存器读指令进行译码并产生相应的控制信号。SZ是来自运算器的状态位Z，C 是状态位C。CLK来自输入，ENACK来自启停模块。Reset输出复位信号给其他部件。JWR是给 通用寄存器的寄存器写信号。IO决定是否选外设端口。MEM信号用于选择存储器，WR是写操 作信号。RD是读操作信号。LOADA和LOADB送给运算器，作为装入操作数的信号。ENIR使能指 令寄存器，ENALU是运算器使能，LEFT作为左移操作控制信号发给运算器，INC作为程序计 数器自动加一控制信号。如果需要跳转的话发PCALU给程序计数器，这样把运算器把PC+offs et的结果作为程序计数器的值来输入。FETCH是地址存储器。ENP接地址寄存器，地址寄存 器输入来自寄存器的数据时用ENP信号。DREN使能数据寄存器。DRIN接数据寄存器的同名引 脚，从存储器那里读数据时用这信号。ENA1和ENA2作为通用寄存器的多路选择的使能信号， 用来选择源操作数和目的操作数。RS［1:0］源寄存器地址码。送给通用寄存器的多路器1。 RED［1:0］目的寄存器地址码。送给通用寄存器的多路器2。
设计控制器的时采用了有限状态机的方法。总结上文描述的指令执行过程及本节的功 能模块的设计可以推出每一条指令在每一个状态产生的控制信号了。
4 结语
本文主要探讨了用VerilogHDL语言设计一个八位 CPU的过程，介绍了指令集的设计、功能部 件的划分、VerilogHDL语言描述和功能仿真。在设计过程中使用了Altera公司的MuxplusII开发环境。
本文以17条指令的设计为例，介绍了如何用VerilogHDL描述一个八位CPU。指令集中有算术 逻辑指令、数据移位指令和程序控制指令。文中对八位CPU的各个模块进行VerilogHDL语言 描述并生成元件图形符号。再把各个模块的元件图形符号的相应信号连起来生成了CPU。其 中数据寄存器有一个双向通道。
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