一个简单的8位处理器完整设计过程及verilog代码

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上海临港-集成电路产学研技术论坛

【12月13日 上海临港】

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来源：EETOP BBS 作者：weiboshe

一个简单的8位处理器完整设计过程及verilog代码,适合入门学习参考，并含有作者个人写的指令执行过程（点击下方 阅读原文 到论坛可下载源码）

1. CPU定义

我们按照应用的需求来定义计算机，本文介绍一个非常简单的CPU的设计，它仅仅用来教学使用的。我们规定它可以存取的存储器为64byte，其中1byte=8bits。所以这个CPU就有6位的地址线A[5：0]，和8位的数据线D[7：0]。

我们仅定义一个通用寄存器AC（8bits寄存器），它仅仅执行4条指令如下：

除了寄存器AC外，我们还需要以下几个寄存器：

地址寄存器 A[5：0]， 保存6位地址。

程序计数器 PC[5：0]，保存下一条指令的地址。

数据寄存器 D[7：0]，接受指令和存储器来的数据。

指令寄存器 IR[1：0]，存储指令操作码。

2. 取指设计

在处理器执行指令之前，必须从存储器取出指令。其中取指执行以下操作：

1〉 通过地址端口A[5：0]从地址到存储器

2〉 等待存储器准备好数据后，读入数据。

由于地址端口数据A[5：0]是从地址寄存器中读出的，所以取指第一个执行的状态是

Fetch1： AR<—PC

接下来cpu发出read信号，并把数据从存储器M中读入数据寄存器DR中。同时pc加一。

Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1

接下来把DR[7：6]送IR，把DR[5：0]送AR

Fetch3： IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0]

3. 指令译码

Cpu在取指后进行译码一边知道执行什么指令，对于本文中的CPU来说只有4条指令也就是只有4个执行例程，状态图如下：

4. 指令执行

对译码中调用的4个例程我们分别讨论：

4.1 ADD指令

ADD指令需要CPU做以下两件事情：

1〉 从存储器取一个操作数

2〉 把这个操作数加到AC上，并把结果存到AC

所以需要以下操作：

ADD1：DR<—M

ADD2：AC<—AC+DR

4.2 AND指令

AND指令执行过程和ADD相似，需要以下操作：

AND1：DR<—M

AND2：AC<—AC^DR

4.3 JMP指令

JMP指令把CPU要跳转的指令地址送PC，执行以下操作

JMP1： PC<—DR[5：0]

4.4INC指令

INC指令执行AC+1操作

INC1： AC<—AC+1

总的状态图如下：

5 建立数据路径

这一步我们来实现状态图和相应的寄存器传输。首先看下面的状态及对应的寄存器传输：

Fetch1： AR<—PC

Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1

Fetch3： IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0]

ADD1： DR<—M

ADD2： AC<—AC+DR

AND1： DR<—M

AND2： AC<—AC^DR

JMP1： PC<—DR[5：0]

INC1： AC<—AC+1

为了设计数据路径，我们可以采用两种办法：

1〉创造直接的两个要传输组件之间的直接路径

2〉在CPU内部创造总线来传输不同组件之间的数据

首先我们回顾一下可能发生的数据传输，以便确定各个组件的功能。特别的我们要注意把数据载入组件的各个操作。首先我们按照他们改变了那个寄存器的数据来重组这些操作。得到如下的结果：

AR：AR<—PC；AR<—DR[5：0]

PC：PC<—PC+1；PC<—DR[5：0]

DR：DR<—M

IR：IR<—DR[7：6]

AC：AC<—AC+DR；

AC<—AC^DR；

AC<—AC+1

现在我们来看每个操作来决定每个组件执行什么样的功能，AR，DR，IR三个组件经常从其他的组件载入数据（从总线），所以只需要执行一个并行输入的操作。PC和AC能够载入数据同时也能够自动加一操作。

下一步我们把这些组件连接到总线上来，如图所示：

如上图所示，各个组件与总线之间通过三态连接，防止出现总线竞争。AR寄存器送出存储器的地址，DR寄存器用于暂存存数起来的数据。到现在为止我们还没有讨论有关的控制信号，我们现在只是保证了所有的数据传输能够产生，我们将在后面章节来使这些数据传输正确的产生—控制逻辑。

现在我们来看以下者写数据传输中有没有不必要的传输：

1〉 AR仅仅提供数据给存储器，所以他不需要连接到总线上。

2〉 IR不通过总线提供数据给任何组件，所以他可以直接输出到控制单元（后面章节）。

3〉 AC不提供数据到任何的组件，可以不连接到总线上。

4〉 总线是8bit宽度的，但是有些传输是6bit或者2bit的，我们必须制定寄存器的那几位送到总线的那几位。

5〉 AC要可以载入AC和DR的和或者逻辑与的值，数据路径中还需要进行运算的ALU。

由此我们做以下工作：

1〉 去掉AR，IR， AC与总线的连接。

2〉 我们约定寄存器连接是从总线的低位开始的。AR，PC连接到Bus[5：0]，由于IR是接受DR[7：6]的，所以可以连接到总线的Bus[7：6]。

3〉 我们设定，AC作为ALU的一个输入，另一个输入来自总线Bus。

下面我们检查是否有争用总线的情况，幸运的是这里没有。修改后的CPU内部组织图如下：

6. ALU设计

这个CPU的ALU执行的功能就是两个操作数相加、逻辑与。这里不作详细介绍。电路如如下：

7. 控制单元

现在我们来考虑如何产生数据路径所需的控制信号，有两种方法：硬布线逻辑和为程序控制。这里我们用硬布线逻辑来实现。

这个简单的CPU需要的控制逻辑由三个部件组成：

1〉计数器：用于保存现在的状态

2〉译码器：生成各个状态的控制信号

3〉其他的组合逻辑来产生控制信号

一个通用的控制单元原理图如下：

对于这个CPU来说，一共有9个状态。所以需要一个4bit的计数器和一个4-16的译码器。接下来的工作就是按照前面的状态转换图来对状态进行赋值。

首先考虑如何的对译码输出状态进行赋值才能达到最佳状态。我们按照以下规则：

1〉给Fetch1赋计数器的0值，并用计数器的清零端来达到这个状态。由这个CPU的状态图可以看出，除了Fetch1状态外的状态都只能由一个状态转化而来，Fetch1需要从4个分支而来，这4个分支就可以发出清零信号（CLR）来转移到Fetch1。

2〉把连续的状态赋连续的计数器值，这样就可以用计数器的INC输入来达到状态的转移。

3〉给每个例程的开始状态赋值时，要基于指令的操作码和这个例程的最大状态数。这样就可以用操作码来生成计数器的LD信号达到正确的状态转移。首先，在Fetch3状态发出LD信号，然后要把正确的例程地址放到计数器的输入端。对这个CPU来说，我们考虑以地址1 [IR] 0作为计数器的预置输入。则得到状态编码如下：

如上表所示，下面我们需要设计产生计数器的LD、INC、CLR等信号，总的控制单元的逻辑如下图：

下面我们用这些译码信号来产生数据路径控制所必需的AR、PC、DR、IR、M和ALU的控制信号。首先考虑寄存器AR，他在Fetch1状态取PC的值，并在Fetch3状态取DR[5：0]的值，所以我们得到ARLOAD=Fetch1 or Fetch3。以此类推我们可以得到如下结果：

PCLOAD=JMP1

PCINC=Fetch2

DRLOAD=Fetch1or ADD1 or AND1

ACLOAD=ADD2 or AND2

IRLOAD=Fetch3

对于ALU的控制信号ALUSEL是用来控制ALU做逻辑或者算数运算的，所以有：

ALUSEL=AND2

对于片内总线的控制较为复杂，我们先来看DR，对于DR他只在Fetch3、AND2 、ADD2和JMP1状态占用总线进行相信的数据传输，所以有：

DRBUS=Fetch3 or AND2 or ADD2 or JMP1

其他类似有：

MEMBUS=Fetch2or ADD1 or AND1

PCBUS=Fetch1

最后，控制单元需要产生存储器的读信号（READ），它发生在Fetch2、ADD1、AND1三个状态：

READ=Fetch2or ADD1 or AND1

这样我们得到了总的控制逻辑，完成了整个CPU的设计。

8. 设计验证

我们执行如下指令进行设计验证，

0：ADD4

1：AND5

2：INC

3：JMP0

4：27H

5：39H

指令执行过程如下（初始化所有寄存器为全零态）：