基于VHDL语言的4位CPU的功能实现与仿真

摘要：随着芯片的复杂程度越来越高，传统的基于电路图的设计方法已不能胜任，采用诸如VHDL这样的硬件描述语言进行数字电路设计的自顶向下的设计方法――EDA方法应运而生。本文根据CPU所具有的基本功能，用VHDL语言在CPLD上实现CPU功能，并给出源程序。

关键词：VHDL；CPLDCPU

中图分类号：TP312 文献标识码：B文章编号：1009-9166（2008）33（c）-0049-01

CPU因其在各大系统中处于核心位置而在硬件电路设计中备受关注，但因其结构复杂，所涉专业背景多而不被一般人掌握。CPU设计极具代表性，虽发展日新月异，但就其基本原理而言大同小异。VHDL语言是符合IEEE标准的当今世界最为流行的硬件描述语言。下文通过对CPU结构模型的简化，依托综合实验平台，所描述的简易4位CPU，能实现加、减、乘、移位等操作。

一、系统功能设计。精简CPU结构模型，运用Altera公司的MAX7000s系列芯片，依托综合实验板，运用状态机实现了微机指令系统。其指令的分析和执行过程与微机中的CPU相似，能完成简单的算数运算和逻辑运算。

二、设计与实现。(一)、简易4位CPU的基本结构单元。1）程序计数器；2）输入与MAR(Memory Access Register)；3）16×8RAM；4）指令寄存器；5）累加器(Accumulator)；6）二进制显示(Binary Display)；7）B寄存器(B Register)；8）输出寄存器(Output Register)；9）运算器(Calculater)

（二）、寻址方式介绍。本设计中的4位CPU指令共有8个且可分为两种类型，如下表：

对状态机的主要部分的描述和注释：IF(clk'event AND clk='0')THEN--时钟下降沿触发

IF(run='1')THEN--如果CPU运行信号为

CASE pstate IS

WHEN s0=>nstate

f1:=true;--标志f1置true

IF(breg="00000000")THEN--如果B寄存器值为0

mar

END IF;

WHEN s1=>nstate

IF(breg="00000000")THEN--如果B寄存器值为0

IF(flag=true)THEN --标志为true

pc

flag:=false;--标志flag置false

END IF;--如果不满足条件，是因为正执行多次移位的指令

END IF;--只有移位完才能执行下一条指令，所以程序计数器数值不变

（四）、简易4位CPU功能仿真（加法）。以下是计算10+15+17-20=1C（十六进制加减计算）的VHDL源程序，这部分将写入ROM中：ARCHITECTURE rtl OF ROM16x8_1 IS

BEGIN

dataout

"00011010" WHEN (address="0001" AND ce='0') ELSE

"00011011" WHEN (address="0010" AND ce='0') ELSE

"00101100" WHEN (address="0011" AND ce='0') ELSE

"11100000" WHEN (address="0100" AND ce='0') ELSE

"11110000" WHEN (address="0101" AND ce='0') ELSE

"00010000" WHEN (address="1001" AND ce='0') ELSE

"00010101" WHEN (address="1010" AND ce='0') ELSE

"00010111" WHEn (address="1011" AND ce='0') ELSE

"00100000" WHEN (address="1100" AND ce='0') ELSE

"00000000";

END ARCHITECTURE rtl;

10+15+17-20=1C（十六进制加减计算）仿真波形图如下：

总结：采用自顶向下的设计方法，将复杂的CPU有效划分位状态机模型再进行设计和编程，并用QuartusII软件进行了仿真，最终在MAX7000s综合电路板上验证通过，很好地模拟了CPU的工作过程。但此设计亦有不足之处：1.没有直接实现除法；2.算数没有优先级。另外，综合开发板上的MAX7000s系列性能过低也是制约设计复杂的数字电路障碍之一。

作者单位：北京邮电大学电信工程学院

作者简介：吉祥（1986年-），男，汉族，上海长宁区人，北京邮电大学 电信工程学院2005级电子信息工程本科生。

参考文献：

[1]张亦华,延明.数字电路EDA入门――VHDL程序实例集[M].北京.北京邮电大学出版社.2002

[2]姜立东.VHDL语言程序设计及应用[M].北京:北京邮电大学出版社.2004

[3]付永庆.VHDL语言及应用[M].北京:高等教育出版社.2004

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