《Verilog HDL数字系统设计——原理、实例及仿真》课件第11章.pptx

第11章模型机设计

11.1模型机概述

11.2RISCCPU简介

11.3RISCCPU指令系统设计

11.4RISCCPU的数据通路图11.5指令流程设计

11.6CPU内部各功能模块的设计与实现

11.7RISCCPU设计11.8模型机的组成

11.1模型机概述

CPU是计算机系统中最为重要的组成部分，它在计算机系统中负责信息的处理和控制，因而被人们称为计算机的大脑。CPU和外围设备构成计算机。模型机是一个简单的计算机硬件系统，可以实现计算机的基本功能。

计算机的体系结构可分为两种类型：冯·诺依曼结构和哈佛结构。大多数CPU采用冯·诺依曼结构。

冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个

总线传输，具有以下特点：

(1)结构上由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备组成。

(2)存储器是按地址访问的，每个地址是唯一的。

(3)指令和数据都是以二进制形式存储的。

(4)指令按顺序执行，即一般按照指令在存储器存放的顺序执行，程序的分支由转移指令实现。

(5)以运算器为中心，在输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。

哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和

数据，并具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，具有以下特点：

(1)每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理。

(2)利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块),公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输。

(3)地址总线和数据总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

11.2RISCCPU简介

11.2.1RISCCPU的基本特征

与RISCCPU(ReducedInstructionSetComputerCPU,精简指令系统计算机中央处理器)对应的是CISCCPU(ComplexInstructionSetComputerCPU,复杂指令系统计算机中央处理器),RISCCPU主要具有以下特点：

(1)选取一些使用频度较高的简单指令，并用这些简单指令的有效组合来实现较复杂指令的功能。

(2)指令长度固定，指令格式、寻址方式类型相比CISCCPU要少。

(3)一般只有取数、存数指令访问存储器，其余类型指令的操作都是在寄存器之间完成的。

(4)CPU中设计有多个通用的寄存器，指令执行过程中所需要的数据一般暂时存放于寄存器中，这样有利于提高指令的执行速度。

(5)RISCCPU常采用流水线技术，这样大部分指令可在一个时钟周期内完成。若采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期。

(6)控制器采用组合逻辑控制方式，不用微程序控制方式。

(7)一般采用优化的译码程序。

CPU(CentralProcessingUnit,中央处理单元)是计算机的

核心部件。计算机进行信息处理可分为两个步骤：

(1)将数据和程序(即指令序列)输入到计算机的存储器中。

(2)从第一条指令地址开始执行该程序，得到所需结果，结束运行。

CPU的作用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的

指令序列，使其有条不紊地进行，因此它必须具有以下基本

功能：

(1)取指令。当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。

(2)分析指令。分析指令即指令译码，是对当前取得的指令进行分析，指出它要做何种操作，并产生相应的操作控制命令。

(3)执行指令。根据分析指令产生“操作命令”形成相应的操作控制信号序列，控制运算器、存储器及输入输出设备的动作，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理以及下一条指令地址的形成。

11.2.2RISCCPU的基本构成

RISCCPU主要包括三部分功能：数据存储、数据运算、时序控制。与此对应的硬件也有三大部分：各种寄存器、运算器及控制器。其基本结构如图11.1所示。

状态标志

ALU

控制器

寄存器组

程序寄存器

地址寄存器指令寄存器数据寄存器

存储器

图11.1RISCCPU的基本结构

11.3RISCCPU指令系统设计

这里设计的是指令字长固定为16位的RISCCPU。该指令系统由32条指令组成，包含了常用各种类型的简单指令，如表11.1所示。

汇编指令格式

操作码

功能描述

指