VHDL与数字系统课程设计

课程设计报告实践课题：VHDL与数字系统课程设计学生：XXX指导老师：XXX、XXX系别：电子信息与电气工程系专业：电子科学与技术班级：XXX学号：XXX一、设计任务用VHDL设计一个简单的处理器，并完成相关的仿真测试。

.设计要求：图1是一个处理器的原理图，它包含了一定数量的寄存器、一个复用器、一个加法/减法器（Addsub）,一个计数器和一个控制单元。

图1 简单处理器的电路图数据传输实现过程：16位数据从DIN输入到系统中，可以通过复用器分配给R0~R7和A，复用器也允许数据从一个寄存器传通过Bus送到另外一个寄存器。

加法和减法的实现过程：复用器先将一个数据通过总线放到寄存器A中，然后将另一个数据放到总线上，加法/减法器对这两个数据进行运算，运算结果存入寄存器G中，G中的数据又可根据要求通过复用器转存到其他寄存器中。

1）Rx ←[Ry] :将寄存器Ry中的内容复制到Rx；2）Mvi Rx，#D ：将立即数存入寄存器Rx中去。

所有指令都按9位编码（取自DIN的高9位）存储在指令存储器IR中，编编码规则为IIIXXXYYY，III表示指令，XXX表示Rx寄存器，YYY表示Ry寄存器。

立即数#D是在mvi指令存储到IR中之后，通过16位DIN输入的。

有一些指令，如加法指令和减法指令，需要在总线上多次传输数据，因此需要多个时钟周期才能完成。

控制单元使用了一个两位计数器来区分这些指令执行的每一个阶段。

当Run信号置位时，处理器开始执行DIN输时间指令T0T1T2T3(mv):I0(mvi):I1(add):I2(sub):I3IR inIR inIR inIR inRY out,RX in,DoneDIN out,RX in,DoneRX out,A inRX out,A in--------RY out,G in,AddsubRY out,G in,Addsub--------G out,RX in,DoneG out,RX in,Done二、实现功能说明2.1 mv Rx,Ry实现的功能：将寄存器Rx的值赋给寄存器Ry（以mv R0, R5为例）（1 ）计数器为“00”时,指令寄存器的置位控制信号输入端IRin=1有效，将DIN输入的数据的高9位锁存。

置位的控制信号如图3加粗黑线所示。

图3（2）计数器为“01”时,首先控制单元根据设计器为“00”时输入的指令，向复用器发出选通控制信号，复用器根据该控制信号让R5的值输出到总线上，然后控制单元控制寄存器R0将总线上的值锁存，完成整个寄存器对寄存器的赋值过程。

置位的控制信号和数据流如图4加粗黑线所示。

图42.2 mvi Rx,#D实现的功能：将的立即数#D赋给寄存器Rx（以mv R0, #D为例）（1）计数器为“00”时,指令寄存器的置位控制信号输入端IRin=1有效，将DIN输入的数据的高9位锁存。

置位的控制信号如图5加粗黑线所示。

图5（2）计数器为“01”时,首先控制单元根据设计器为“00”时输入的指令，向复用器发出选通控制信号，复用器根据该控制信号让DIN的值输出到总线上，然后控制单元控制寄存器R0将总线上的值锁存，完成整个立即数对寄存器的赋值过程。

置位的控制信号和数据流如图6加粗黑线所示。

图62.3 add Rx,Ry和sub Rx,Ry实现的功能：将寄存器Ry的值加上/减去寄存器Rx的值并赋给寄存器Rx（以add/sub R0,R1为例）。

（1）计数器为“00”时,指令寄存器的置位控制信号输入端IRin=1有效，将DIN输入的数据的高9位锁存。

置位的控制信号如图7加粗黑线所示。

图7（2）计数器为“01”时,首先控制单元根据设计器为“00”时输入的指令，向复用器发出选通控制信号，复用器根据该控制信号让R0的值输出到总线上，然后控制单元控制寄存器A将总线上的值锁存。

置位的控制信号和数据流如图8加粗黑线所示。

图8（3）计数器为“10”时,首先控制单元根据设计器为“00”时输入的指令，向复用器发出选通控制信号，复用器根据该控制信号让R1的值输出到总线上，然后控制单元控制加法/减法器addsub将寄存器A的值和总线上的值相加/相减并输出，接着寄存器G将加法/减法器addsub的计算结果锁存。

置位的控制信号和数据流如图9加粗黑线所示。

图9（4）计数器为“11”时,首先控制单元向复用器发出选通控制信号，复用器根据该控制信号让寄存器G的值输出到总线上，寄存器R0将总线上的值进行锁存，完成整个寄存器与对寄存器见加减法的运算过程。

置位的控制信号和数据流如图10加粗黑线所示。

图10三、单元模块设计说明4.1寄存器Registe寄存器R0~R7、寄存器A或寄存器G :用于数据的存储。

当时钟输入clk的上升沿到来且rin=1时，将数据输入端rxin[15..0]的数据锁存到寄存器中并从数据输出端rxout[15..0]输出；当rin=0时，输出端保持原来的值不变。

clkrinrxin[15..0]rxout[15..0]registeinst1寄存器Registe的VHDL代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY registe isport(clk:in std_logic;rin:in std_logic;rxin:in std_logic_vector(15 downto 0);rxout:out std_logic_vector(15 downto 0)); end entity registe;architecture one of registe isbeginprocess(clk)beginif clk'event and clk='1' thenif rin='1' then rxout<=rxin;end if;end if;end process;end one;4.2指令寄存器IR指令寄存器IR用于对输入的16为指令进行处理，取其高9位。

当时钟输入clk的上升沿到来且rin=1时，取数据输入端rxin[15..0]的高9位将其锁存到寄存器中并从数据输出端rxout[8..0]输出；当rin=0时，输出端保持原来的值不变。

指令寄存器IR的VHDL代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY IR isport(clk:in std_logic;rin:in std_logic;rxin:in std_logic_vector(15 downto 0);rxout:out std_logic_vector(8 downto 0));end entity IR;architecture one of IR isbeginprocess(clk)beginif clk'event and clk='1' thenif rin='1' then rxout<=rxin(15 downto 7);end if;end if;end process;end one;4.3加/减法器addsub加/减法器addsub用于处理两个输入的数据datain2[15..0] 和datain1[15..0]，当控制端Addsub=1时，两个数据输入端datain2[15..0] 和datain1[15..0]相加并从数据输出端dataout[15..0]输出；当控制端Addsub=0时，数据输入端datain2[15..0] 减去datain1[15..0]，结果从数据输出端dataout[15..0]输出。

加/减法器addsub的VHDL代码：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use ieee.std_logic_unsigned.all;ENTITY addsub isport( ain:in std_logic_vector(15 downto 0);bin:in std_logic_vector(15 downto 0);adsub:in bit;about:out std_logic_vector(15 downto 0));end entity addsub;architecture one of addsub issignal a,b:std_logic_vector(15 downto 0);beginprocess(adsub,ain,bin)beginif adsub='0' then about<=ain+bin;elsif adsub='1' then about<=ain-bin;end if;end process;end one;4.4 计数器counter计数器counter用于产生控制单元的输入脉冲，对控制单元的工作时序进行控制。

当clear=0时（清零端clear 无效），时钟输入clk每来一个上升沿，输出count[1..0]加1，所以输出为00——>01——>10——>11——>00不断循环；当clear=1时（清零端clear有效），对输出Q[1..0]同步清零，与时钟有关。

计数器counter的VHDL代码：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity counter isport(clk:in std_logic;clear:in std_logic;count:out std_logic_vector(1 downto 0));end counter;architecture one of counter issignal c:std_logic_vector(1 downto 0);beginprocess(clk,clear)beginif clk'event and clk='1' thenif(clear='1')then c<="00";else c<=c+1;end if;end if;end process;count<=c;end one;4.5 复用器multiplexers复用器根据控制单元的控制信号将指定的输入数据输出到总线上。

来自控制单元的控制信号为R0out~R7out、Gout、DINout，输入数据位来自寄存器R0~R7、寄存器A、数据输入端DIN，当控制信号的某一位为1时，将其对应的输入数据输出到总线上。