推荐-组合逻辑控制单元设计 精品

一、实验课题

实验要求：

按照题目要求用硬布线（组合逻辑）控制法设计一个简单模型机的控制单元CU（微操作信号产生电路），决定外部的端口（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。

主要元件设计：

1．指令译码器

功能要求：3-8译码器。

2．控制单元

功能要求：假设该模型机有8条不同类型的指令。包括：算术运算、逻辑运算、移位、数据传送、访存操作、转移等。根据每条指令的功能和时序，分析其执行过程中需要在各个阶段产生的全部微操作，导出产生这些微操作控制信号的逻辑。

3．用层次结构设计的方法设计一个控制单元CU（微操作控制信号产生电路）。包括指令译码器和控制单元。

功能要求：能够正确产生8条不同指令在执行过程中（每个机器周期、每拍）发出的全部微操作。

二、逻辑设计

写该实验的逻辑设计，包括：顶层系统框图，下层各主要元件的系统框图。顶层和下层各主要元件的端口（引脚）描述：端口名称、功能、有效电平、位数等。逻辑图，必须在图中清楚地标出每个内部连接线的Signal（与VHDL 程序中的Signal一致）。根据所用的描述方式，可能还需要有：真值表/功能表/逻辑函数等。

1、3-8译码器：

系统框图：

S是工作信号，当S=1时，3-8译码器工作；当S=0时，3-8译码器不工作。A是输入信号，Y是输出信号

S A2 A1 A0 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 加法

1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 与

1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 或

1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 左移

1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 右移

1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 数据传送

1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 取数

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 无条件转移

0 ×××0 0 0 0 0 0 0 0

Y(0)<=S and (not A(2)) and (not A(1)) and (not A(0));

Y(1)<=S and (not A(2)) and (not A(1)) and A(0);

Y(2)<=S and (not A(2)) and A(1) and (not A(0));

Y(4)<=S and A(2) and (not A(1)) and (not A(0)); Y(5)<=S and A(2) and (not A(1)) and A(0); Y(6)<=S and A(2) and A(1) and (not A(0)); Y(7)<=S and A(2) and A(1) and A(0); 2、控制单元：

设计过程：把每条指令的实现分成取指令、分析指令、执行指令三个步骤，每一步由一个机器周期实现，一条指令的实现需要三个机器周期，即M1（取指周期）、M2（分析周期）、M3（执行周期）；每个机器周期由三个节拍组成，即T0、T1、T2。如下图所示：

1、加法指令：寄存器R1中的一个数与寄存器R0中的一个数相加，结果放在R1中。 即实现（R0）+（R1）→R1

2、与指令：寄存器R1中的一个数与寄存器R0中的一个数，结果放在R1中。 即实现（R1）and (R0) → R1

3、或指令：寄存器R1中的一个数或寄存器R0中的一个数，结果放在R1中。 即实现（R1）or (R0) → R1

4、逻辑左移指令：寄存器R1中的数左移，移动位数存放在寄存器R0中，结果放在R1中。 即实现（R1））左移（0R R1

5、逻辑右移指令：寄存器R1中的数左移，移动位数存放在寄存器R0中，结果放在R1中。 即实现（R1））右移（0R R1

6、数据传送指令：寄存器R0中的数据送到寄存器R1中。即实现（R0）→ R1。

7、取数指令：取出存储器中的一个数（地址在寄存器R0中）送到寄存器R1中。即实现 （（R0））→（R1）

8、无条件转移指令：寄存器R1中的地址送到PC 中。即实现（R1）→ PC

8条指令的微操作如下表所示，以教材P122的CPU 控制图（省去了M/IO 、ADS ）为例： 由于每条指令取指周期的微操作是一样的，所以可以先设计取指周期微操作的节拍安排。 取指周期：T0：PC →AB ，W/R =0

T1：DB →IR

机器周期

节拍

T 0 T 1 T 2

系统框图：

PC→AB = M0·T0

W/R=0 = M0·T0+M1·T1·取数

DB→IR = M0·T1

PC+1 = M0 ·T2

rs1→GR = M1 ·T0

(rs1)→ALU = M1 ·T0

+ = M1 ·T0·取数+M2·T1·(加+传送+取数+转移)

ALU→AR =M1 ·T1 ·取数

AR→AB =M1·T1 ·取数

rd→GR =M1 ·T2·(加法+与+或+左移+右移)

(rd)→ALU = M1 ·T2·(加法+与+或+左移+右移)

DB→DR = M1 ·T2·取数

DR→ALU = M2 ·T0·取数

∧= M2·T1·与

∨= M2·T1·或

←= M2·T1·左移

→=M2·T1·右移

ALU→GR = M2·T2·(加法+与+或+左移+右移+数据传送+取数) ALU→PC = M2·T2·转移

3、层次结构控制单元：

逻辑图：