此次CPU實驗，我應該是最早驗收的，所以在此分享給大家，少走彎路，
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一、設計目的
完整、連貫地運用《數字邏輯》所學到的知識，熟練掌握 EDA 工具基本使用方法，為
學習好后續《計算機原理》課程做鋪墊，
二、設計內容
1、按照給定的資料通路、資料格式和指令系統，使用 EDA 工具設計一臺用硬連線邏
輯控制的簡易計算機；
2、要求靈活運用各方面知識，使得所設計的計算機具有較佳的性能；
3、對所設計計算機的性能指標進行分析，整理出設計報告，
-
詳細設計
3.1設計的整體架構
（1）普通部件
1、指令計數器PC
2、選擇器
3、RAM存盤器
4、指令暫存器IR
5、指令譯碼器
6、（圖中無標出）控制臺，用于發出控制信號
7、通用暫存器組
8、函式發生器（ALU運算器）
9、移位邏輯
（2）資料通路
-
部件之間聯系和指令執行的一般流程
取指令：
1、首先通過時鐘信號對PC發出指令，將PC中的地址通過選擇器傳遞到RAM，
2、RAM根據PC傳來的地址，執行存盤在RAM中的指令，將指令輸入到總線，
3、總線上的指令暫存器IR在控制信號的控制下讀入RAM傳來的指令，
4、指令暫存器IR將指令發送到指令譯碼器，指令通過指令譯碼器和控制臺輸出指令所需要的所有控制信號，
執行指令：
資料傳送類指令的執行程序
暫存器之間的傳送
MOV R1，R2
要求完成的操作為（R2）→R1，執行程序為：
由 R2 的編碼通過 RAA1、RAA0 從通用暫存器組 A 口讀出 R2 的內容，在 S3～S0 和
M的控制下，經 ALU 送入總線 BUS；由/WE 控制和 R1 的編碼選擇 RWBA1、RWBA0，將BUS
上的資料寫入通用暫存器 R1，
暫存器到記憶體的傳送
MOV M，R2
要求完成的操作為（R2）→（C），執行程序為：
由 M 的編碼 11 通過 RWBA1、RWBA0 從通用暫存器 B 口讀出 C
暫存器中的地址，在MADD=2 的控制下，地址通過選擇器到達存盤器 RAM 的地址輸入端；由
R2 的編碼通過RAA1、RAA0 從通用暫存器組 A 口讀出 R2 的內容，在 S3～S0 和 M
的控制下，經 ALU 送入總線 BUS，并在/CS 和 XL 控制下將 BUS 上的資料寫入存盤器
RAM，
記憶體到暫存器的傳送
MOV R1，M
要求完成的操作為（（C））→R1，執行程序為：
由 M 的編碼 11 通過 RAA1、RAA0 從通用暫存器 A 口讀出 C 暫存器中的地址，在
MADD=1 的控制下，地址通過選擇器到達存盤器 RAM 的地址輸入端，/CS 和 DL
使資料出現在 BUS 上；由/WE 控制和 R1 的編碼選擇 RWBA1、RWBA0，將 BUS
上的資料寫入通用暫存器 R1，
算術邏輯運算類指令的執行程序
ADD R1，R2
SUB R1，R2
OR R1，R2
這類指令的執行程序為：
由 R2 的編碼通過 RAA1、RAA0 從通用暫存器組 A 口讀出 R2 的內容，由 R1 的編碼通過
RWBA1、RWBA0 從通用暫存器組 B 口讀出 R1 的內容，在 S3～S0 和 M 的控制下，經ALU
送入總線 BUS；由/WE 控制和 R1 的編碼選擇 RWBA1、RWBA0，將 BUS
上的資料寫入通用暫存器 R1，其中 ADD 和 SUB 指令影響狀態位 Zf和 Cf，
移位指令的執行程序
RSR R1
RSL R1
這類指令的執行程序為:
由 R1 的編碼通過 RWBA1、RWBA0 從通用暫存器組 B 口讀出 R1 的內容，在 S3～S0和 M
的控制下通過 ALU，經移位邏輯回圈右移或回圈左移后送入總線 BUS；再由/WE 控制和 R1
的編碼選擇 RWBA1、RWBA0，將 BUS 上的資料寫入通用暫存器 R1，
一條指令執行完畢，RAM讀取下一條指令，
轉移類指令的執行程序
JMP add
JZ add
JC add
這類指令為雙位元組指令，第一位元組為指令碼，第二位元組為轉移目標地址，這類指令的執
行程序為：
在 MADD=0 的控制下，程式計數器 PC 中的地址通過選擇器到達存盤器 RAM
的地址輸入端，在/CS 和 DL 控制下轉移地址從 RAM 中讀出并送入
BUS；如果條件滿足（IN PC=0，LDPC=1）則在 LD PC 允許下將 BUS 上的資料輸入
PC，作為PC下一次的輸出，否則 PC 加 1 計數，并作為下一次的輸出，
（4）總邏輯圖
3.2各模塊的具體實作
（此部分必須有模塊的介面設計，功能實作，功能的仿真驗證等內容，）
- 指令計數器PC
介面設計：
（1）inc,ld兩個信號輸入，代表控制計數器自加一和資料輸出以及讀入的信號，
（2）clk時鐘信號，接受外部時序控制執行操作，
（3）a[7…0]和c[8…0]，前者代表資料讀入，后者代表輸出，
原理圖
VHDL代碼：
仿真波形：
功能分析：
| CLK | inc | ld | 功能 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0 | c<=c+1（不加載輸入，輸出自加一） | |
| 0 | 1 | c<=a（加載輸入） |
- 選擇器
原理圖
介面設計：
（1）madd是2位控制信號，用于選擇地址來源，
（2）R1，R2，R3是三個地址來源，對應PC、暫存器A口和暫存器B口，
VHDL代碼：
仿真波形：
功能分析：
| madd | 功能 |
|---|---|
| 00 | selout<=RO(選擇R0輸出） |
| 01 | selout<=R1(選擇R1輸出） |
| 10 | selout<=R2(選擇R2輸出） |
- RAM存盤器
介面設計：
（1）使用address輸入和dio輸出，都是8位，輸入為地址，輸出為指令，指令存盤在RAM中，
（2）有we、outenab控制信號，代表讀寫有效，
（3）有時鐘控制信號，對RAM的讀取寫入進行流程控制，
功能分析
（1）RAM是存盤各種指令的地方，可以進行指令的讀寫，
（2）構造RAM中的指令，需要在新建檔案里面建立一個mif檔案，設定好引數（256個，8位）根據指令表構造指令存入即可，
（3）RAM也有時鐘信號，配合其他元件，用于控制RAM何時進行讀寫操作，
原理圖：
VHDL代碼：
呼叫了LPM庫，略
仿真波形：（利用了三態門）
功能分析：
| CLK | we | outenab | 功能 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Dio<=高阻態Z | |
| 1 | 0 | Dio的資料寫入address所指定的存盤單元 | |
| 0 | 1 | address所指定的存盤單元資料從dio輸出 |
- 指令暫存器（IR）
介面設計：
（1）input是8位的輸入,output是8位的輸出，
（2）ld代表將BUS總線上的資料傳輸入譯碼器，1有效，
（3）clk時鐘信號介面，這個部件也需要時序控制，
原理圖：
VHDL代碼：
仿真波形：
功能分析：
| clk | ld | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | output<=input |
- 指令譯碼器
介面設計：
（1）輸入的IR是8位的指令，SM為時鐘信號，
（2）輸出對應的是各個指令所需要的操作，傳輸入控制臺具體執行
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
**
**
功能分析：
指令譯碼器的功能就是對于輸入的各種指令進行讀取分析，輸出一系列的控制信號，
- 控制器：
介面設計：
包括輸入的信號，以及所有指令譯碼器傳過來的指令信號，由控制器具體執行發出信號，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
將M信號改成了，M=1時在ALU中進行操作，M=0時選擇輸入進行直傳，
- 通用暫存器組：
介面設計：
（1）i是8位的輸入,AO,BO,AR,BR,CR是8位的輸出，(AR、BR、CR輸出的分別是A暫存器、B暫存器和C暫存器的值，AO、BO輸出的分別根據RA和WA的值決定）
（2）we代表將BUS總線上的資料傳輸入暫存器組，0有效，
（3）clk時鐘信號介面，這個部件也需要時序控制，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
| CLK | WE | RAA[1…0] | RWBA[1…0] | 功能 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 00或01或10 | 00或01或10 | 根據RAA[1…0]的值從A,B,C中選擇一個暫存器的值由AO口輸出 如RAA[1…0]=00，AO<=A暫存器的值 RAA[1…0]=01，AO<=B暫存器的值 RAA[1…0]=10，AO<=C暫存器的值 根據RWBA[1…0]的值從選擇A,B,C中選擇一個暫存器的值由BO口輸出， 如RWBA[1…0]=00，BO<=A暫存器的值 RWBA[1…0]=01，BO<=B暫存器的值 RWBA[1…0]=10，BO<=C暫存器的值 | |
| 0 | XX | 00或01或10 | 根據RWBA[1…0]的值,將外部輸入寫入A,B,C三個暫存器中的一個暫存器內， |
- 函式發生器（ALU）
介面設計：
（1）使能端信號en，為0直傳，為1計算，
（2）4位控制信號S，代表ALU執行的各種操作，
（3）A,B,output三個8位介面，代表通用暫存器AO、BO口傳來的資料和ALU的運算結果，
（4）C輸出代表進位，Z輸出代表運算結果，結果為00000000時輸出1，否則為0，在跳轉指令中起作用，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
ALU的功能主要是實作加、減、或等運算，由S控制，另外ALU作為資料通路，在特定的指令下，也執行直傳操作，直傳的資料來源可能有兩個，AO口和BO口，這里的ALU我定義了兩個新的控制信號S，是“1100”和“0000”，這兩個指令，在指令表中沒有定義，這里額外定義不會沖突，前者表示直傳B，后者表示直傳A，
| S | en | 功能 |
|---|---|---|
| 1001 | 1 | output<=A+B(ADD) |
| 0110 | 1 | output<=A-B(SUB) |
| 1011 | 1 | output<=A∨B(OR) |
| 1110 | 1 | output<=A∧B(AND) |
| 0101 | 1 | output<=/A(NOT) |
| 0000 | 0 | output<=A(直傳A) |
| 1100 | 0 | output<=B(直傳B） |
- 移位邏輯
介面設計：
（1）INPUT和OUTPUT是8位的輸出和輸出，
（2）三個控制信號：FBUS為1則直傳，FR為1右移，FL為1左移，
（3）C代表被移除的那一位，即左移時輸出原最左一位，右移時輸出原最右一位，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
移位邏輯部件的功能類似于ALU，也是兩方面：一方面根據信號控制進行資料的處理，左移和右移，并將移除的位輸出；另一方面作為資料通路，在特殊信號控制下進行直傳，
| F_BUS | FL | FR | 功能 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 直傳 |
| 0 | 1 | 0 | 回圈左移一位 |
| 0 | 0 | 1 | 回圈右移一位 |
| 0 | 0 | 0 | 輸出高阻態 |
- 跳轉指令控制
介面設計：
C的來源有ALU和移位邏輯，Z的來源是ALU，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
| clk | en | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | out<=in |
- 停機控制
介面設計：
（1）兩個輸入，clk是時鐘信號，HALT使能端控制信號，
（2）輸出為時鐘信號，受到控制信號影響，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
這是一個停機操作，加在時鐘信號傳入電路之前，
| HALT | 功能 |
|---|---|
| 1 | clock<=Z |
| 0 | clock<=clk |
- 總線輸入、輸出控制
介面分析：
1個8位輸入，連接總線，1個使能端，1個8位輸出，使能端為1，傳輸總線資料至輸出，燈發光，使能端為0，輸出高阻態，
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
功能分析：
| en | 功能 |
|---|---|
| 1 | output<=input |
| 0 | output<=Z |
- 時鐘信號控制
原理圖：
VHDL代碼：
波形仿真：
sm=0為取指令周期，sm=1為執行指令周期，
-
系統測驗
4.1 測驗環境
Quartus II 9.0 仿真型別：Functional
4.2 測驗代碼
測驗一：
測驗二：
- 測驗結果
測驗一：
-
IN指令，0.0-10.0ns取指令，10.0-20.0ns執行指令，指令編碼為00100000，將總線上的輸入加載入暫存器A，此時總線上的輸入為11000000，故執行完這個指令后暫存器A的存盤的值由初始值00000000變為11000000；
-
OUT指令，20.0-30.0ns取指令，30.0-40.0ns執行指令，指令編碼為01000000，將暫存器A中的值輸出到發光二極管，由于沒有線路板原件，故只能模擬，輸出到總線為暫存器A中的值11000000；
-
ADD指令，40.0-50.0ns取指令，50.0-60.0ns執行指令，指令編碼為10010001，將暫存器A中的值11000000和暫存器B中的值00000001相加后存入暫存器A，故執行完這個指令后暫存器A中的值變為11000001；
-
OR指令，60.0-70.0ns取指令，70.0-80.0ns執行指令，指令編碼為10110010，將暫存器A中的值11000001和暫存器C中的值00000010按位相或后存入暫存器A，故執行完這個指令后暫存器A中的值仍為11000011；
-
NOT指令，80.0-90.0ns取指令，90.0-100.0ns執行指令，指令編碼為01010000，將暫存器A中的值11000011按位取反后存入暫存器A，故執行完這個指令后暫存器A中的值變為00111100；
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MOVA指令，100.0-110.0ns取指令，110.0-120.0ns執行指令，指令編碼為11110100，將暫存器A中的值存入暫存器B，故執行完這個指令后暫存器B中的由00000001變為00111100；
-
SUB指令，120.0-130.0ns取指令，130.0-140.0ns執行指令，指令編碼為01100001，將暫存器A中的值減去暫存器B中的值后得到的結果存入暫存器A，故執行完這個指令后暫存器A的值變為00000000，此時結果為0，Z標志位為1；
-
JZ指令，140.0-150.0ns取指令，150.0-160.0ns執行指令，指令編碼為00010001，滿足跳轉條件，后面跟的address編碼為00011000，下一次取指令的地址將變為00011000；
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MOVC指令，160.0-170.0ns取指令，170.0-180.0ns執行指令，指令編碼為11110111，從暫存器C中讀出地址00000010，將RAM中該地址的值10010001存入暫存器B中，故執行完這個指令后暫存器B的值由01000000變為10010001；
-
HALT指令，180.0-190.0ns取指令，因為是停機指令，所以不需要等到下一個下降沿，指令編碼為10000000，總線資料全為高阻態，后序指令都不將讀取和執行，
上述指令操作結果均符合預期，
測驗二：
- NOP指令：0.0-10.0ns取指令，10.0-20.0ns執行指令，指令編碼為01110000，將PC的值加1；
（2）RSL指令：20.0-30.0ns取指令，30.0-40.0ns執行指令，指令編碼為10101011，將暫存器C中的值回圈左移一位，故執行完這個指令后暫存器C中的值由00000010變為00000100；
（3）RSR指令：40.0-50.0ns取指令，50.0-60.0ns執行指令，指令編碼為10100100，將暫存器B中的值回圈右移一位，故執行完這個指令后暫存器B中的值由00000001變為10000000，且C標志位變為1；
（4）JC指令：60.0-70.0ns取指令，70.0-80.0ns執行指令，指令編碼為00010010，滿足跳轉條件，后面跟的address為00100100，故下一次取指令的地址將變為00100100；
（5）MOVB指令：80.0-90.0取指令，90.0-100.0執行指令，指令編碼為11111100，讀出暫存器A中的值00000000和暫存器C中的值00000100，將暫存器A的值寫入RAM中地址為暫存器C中的值的單元，由下一條JMP指令檢測其正確性，
（6）JMP指令：100.0-110.0取指令，110.0-120.0執行指令，指令編碼為00010000，后面跟的地址為00000100，故下一次取指令的地址將變為00000100；
可觀測到下一次取出的指令為00000000，而不是mif檔案中00000100對應的00010010正是上次MOVB指令造成的結果，
上述指令操作結果均符合預期，
信安應憐兒和你一起努力~
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