畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于fpga和vhdl實(shí)現(xiàn)的8位通用運(yùn)算部件

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目： 基于FPGA和VHDL實(shí)現(xiàn)的8位通用運(yùn)算部件</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書</p><p>　　論文（設(shè)計(jì)）題目： 基于FPGA和VHDL實(shí)現(xiàn)的8位通用運(yùn)算器 </p><p>　　一、主要內(nèi)容及基

2、本要求</p><p>　　主要內(nèi)容： </p><p>　　利用Quartus II 9.0編寫VHDL程序，在FPGA開發(fā)板實(shí)現(xiàn)一個(gè)8位可進(jìn)行加減算術(shù)運(yùn)算和與，或，非，異或等邏輯運(yùn)算的通用運(yùn)算器，并開發(fā)對(duì)此運(yùn)算器進(jìn)行測(cè)試的按鍵輸入模塊，完成對(duì)運(yùn)算器的綜合測(cè)試。

3、 </p><p>　　基本要求： </p><p>　　1.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ALU。ALU能完成對(duì)數(shù)據(jù)的基本操作，包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的標(biāo)志信號(hào)。 </p&

4、gt;<p>　　2.設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令格式，用于控制數(shù)據(jù)傳送，存儲(chǔ)，算術(shù)邏輯運(yùn)算，移 位，輸出功能。 </p><p>　　3設(shè)計(jì)按鍵和顯示模塊，用于對(duì)8位通用運(yùn)算器進(jìn)行測(cè)試。 </p><p><b>　　二、重點(diǎn)研究的

5、問題</b></p><p>　　1.深刻體會(huì)FPGA開發(fā)流程和VHDL與一般過程語言編程的差異，實(shí)際解決在編程中遇到的問題。 </p><p>　　2.掌握8位通用運(yùn)算器的模塊構(gòu)建，對(duì)單元電路進(jìn)行電路波形仿真測(cè)試和綜合測(cè)試。

6、 </p><p>　　3.開發(fā)一個(gè)按鍵輸入模塊，對(duì)8位通用運(yùn)算部件進(jìn)行測(cè)試。 </p><p><b>　　進(jìn)度安排</b></p><p>　　四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1]潘松，黃

7、繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程. 北京：科學(xué)出版社，2010.11 </p><p>　　[2]Kenneth L.Short. VHDL大學(xué)實(shí)用教程. 喬廬峰，尹延輝，李永成，牛燚坤譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.9 </p><p>　　[3]Clive "Max&qu

8、ot; Maxfield. FPGA設(shè)計(jì)指南. 杜生海，刑聞譯. 北京：人民郵電出版社，2007.12 </p><p>　　[4]王誠，劉東衛(wèi)，宋佳興. 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì) 北京：清華大學(xué)出版社，2004.7 </p><p>　　[5]吳厚航. 深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA 北京：

9、北京航空航天大學(xué)出版社，2009.1 </p><p>　　[6]黃智偉，鄧月明，王彥. ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.8 </p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：

10、基于FPGA和VHDL實(shí)現(xiàn)的8位通用運(yùn)算部件 </p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 54 頁 圖 表 27 張</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　

11、摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)3</p><p>　　1.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一般流程4</p><p>　　1.3 本文的結(jié)構(gòu)4</p

12、><p>　　第2章 CPLD/FPGA基本特性6</p><p>　　2.1 CPLD簡介6</p><p>　　2.1.1 可編程邏輯陣列（LAB）7</p><p>　　2.1.2 可編程I/O單元（IOC）7</p><p>　　2.1.3 可編程內(nèi)部連線（PIA）7</p><p&g

13、t;　　2.2 FPGA簡介8</p><p>　　第3章 軟硬件開發(fā)環(huán)境10</p><p>　　3.1 基本設(shè)計(jì)流程10</p><p>　　3.2 硬件開發(fā)環(huán)境12</p><p>　　第4章 8位通用運(yùn)算器設(shè)計(jì)方案14</p><p>　　4.1 總體結(jié)構(gòu)圖14</p><p&g

14、t;　　4.2 8位通用運(yùn)算器模塊14</p><p>　　4.2.1 指令格式的設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.2.2 運(yùn)算器對(duì)外接口15</p><p>　　4.2.3 8位通用運(yùn)算器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖16</p><p>　　4.3 按鍵測(cè)試模塊17</p><p>　　4.4 數(shù)碼顯示模塊18</p

15、><p>　　第5章 基本模塊設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.1 ALU輸入選擇器的設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.2 ALU算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的設(shè)計(jì)20</p><p>　　5.3 寄存器組RAM的設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.4 寄存器qreg的設(shè)計(jì)23</p><p>　　5.

16、5 輸出選擇器設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.6 鍵盤測(cè)試模塊25</p><p>　　5.6.1 4乘4按鍵25</p><p>　　5.6.2 指令和數(shù)據(jù)生成模塊26</p><p><b>　　第6章 測(cè)試29</b></p><p>　　6.1 單元測(cè)試29</p>

17、;<p>　　6.2 基本指令和綜合測(cè)試30</p><p>　　第7章 結(jié)束語33</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b>　　附 錄36</b></p>&

18、lt;p>　　基于FPGA和VHDL實(shí)現(xiàn)的8位通用運(yùn)算部件</p><p>　　摘要：本文介紹了在現(xiàn)代EDA技術(shù)支持下、基于CPLD/FPGA和VHDL開發(fā)的一個(gè)8位通用運(yùn)算部件，系統(tǒng)討論了其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及在基于CPLD/FPGA的GW48GP硬件開發(fā)–測(cè)試環(huán)境中構(gòu)建與測(cè)試所涉及的系列問題、方法與技術(shù)。</p><p>　　在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)水平下，開發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的途徑之一就是利

19、用現(xiàn)代EDA技術(shù)和超大規(guī)模的可編程器件CPLD/FPGA技術(shù)的最新成就，開發(fā)一個(gè)“片上系統(tǒng)”/“片上可編程系統(tǒng)”、制作定制/半定制的專用集成電路來實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)目標(biāo)。本文所介紹的就是在這種指導(dǎo)思想下完成的一個(gè)簡單的、局部性的、探索性的實(shí)例。</p><p>　　文中對(duì)現(xiàn)代EDA技術(shù)、CPLD/FPGA器件及其與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)間的關(guān)聯(lián)作了基礎(chǔ)性的討論，對(duì)通過這種方式制作一個(gè)8位通用運(yùn)算部件的完整過程作了全面、系

20、統(tǒng)的介紹。在制作此8位通用運(yùn)算部件時(shí)，應(yīng)用了廣為流行的、標(biāo)準(zhǔn)化的VHDL作為硬件描述語言。</p><p>　　關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件;VHDL;片上系統(tǒng)；片上可編程系統(tǒng)</p><p>　　The Realization of 8-bit ALU based on FPGA & VHDL</p><p>　　Abstract:In this paper,

21、the development of an 8 bit universal computing component was introduced based on CPLD/FPGA and VHDL with the support of modern EDA technology. The design and a series of concerning questions, methods and technologies ba

22、sed on CPLD/FPGA GW48GP hardware development to build and test was discussed systematically.</p><p>　　In the  modern computer science and technology, one of the ways of the deve

23、lopment of computer application systems is using  the latest achievements of modern EDA technology and ultra-large-scale programmable devices CPLD/FPGA technology to develop&#

24、160;system on a chip/system on a programmable chip and producing custom/semi-custom ASIC to achieve its system goals. Described in this paper is a simple, localized, and exploratory instance in t

25、his guiding ideology.</p><p>　　The paper discussed the association between modern EDA technology,  the CPLD/FPGA devices, and modern computer application systems 

26、development briefly and made a comprehensive and systematic introduction of the complete process of designing an 8-bit universal computing unit in this way. Widely popular, the

27、0;standardization of VHDL as a hardware description language is used in the throughout the design process.</p><p>　　Keywords: programmable logic device; VHDL; system on a chip; system on

28、a programmable chip</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　在現(xiàn)代，完整的計(jì)算機(jī)技術(shù)包含三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：硬件技術(shù)、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。其中的“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”主要是指應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)已取得的成就去解決人們生產(chǎn)、生活中的各種

29、實(shí)踐問題，即人們通常所論的“計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)”。</p><p>　　所謂“計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”，也稱為“基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)”或“以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)”。它通常包含：計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件、信號(hào)測(cè)量裝置及將相應(yīng)測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)硬件可識(shí)別信號(hào)的裝置、控制與信號(hào)執(zhí)行裝置（它們將計(jì)算機(jī)硬件輸出轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所操作的設(shè)備的有效行為）。</p><p>　　在現(xiàn)代，實(shí)現(xiàn)一個(gè)“計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”的典型途徑有

30、兩種：</p><p>　　1. 基于一個(gè)確定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來構(gòu)建。這個(gè)作為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常被稱作待構(gòu)建的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的“運(yùn)行平臺(tái)”?；诖_定的“運(yùn)行平臺(tái)”，擴(kuò)展其軟硬件設(shè)施和必要的其它配套裝置，即可得到所需的目標(biāo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　2. 基于現(xiàn)代超大規(guī)模的可編程器件和現(xiàn)代EDA技術(shù)，開發(fā)一個(gè)“片上系統(tǒng)”/“片上可編程系統(tǒng)”，用一個(gè)“定制”/“半定制”的專用集成電路來

31、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　通過第一種途徑（也是傳統(tǒng)的途徑）來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其關(guān)鍵的工作是開發(fā)面向應(yīng)用目標(biāo)的擴(kuò)展軟件－應(yīng)用軟件。目前在大型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域通常采用這種方式。在這種方式下，通常計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境很好、人們要求系統(tǒng)呈現(xiàn)出極大的靈活性以便適應(yīng)其系統(tǒng)環(huán)境的變化、系統(tǒng)需要擴(kuò)展的硬件設(shè)施通常都是可通過采購來獲得的、構(gòu)建系統(tǒng)所需的其它配套裝置種類較少且易于通過采購等方式獲得。

32、由此形成的系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要是所開發(fā)的應(yīng)用軟件的著作權(quán)。</p><p>　　通過第二種途徑來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其關(guān)鍵性的工作是在現(xiàn)代EDA技術(shù)的支持下在相應(yīng)可編程器件中構(gòu)建相應(yīng)系統(tǒng)的硬件（這既包括通常意義上的計(jì)算機(jī)硬件，也包括擴(kuò)展的其它數(shù)字電路）。目前在設(shè)備控制、過程控制、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等眾多應(yīng)用領(lǐng)域通常采用這種方式。在這種方式下，系統(tǒng)的軟件部分的規(guī)模通常不大，人們通常是在配套的開發(fā)平

33、臺(tái)上與硬件開發(fā)同步地開發(fā)其軟件設(shè)施并在交付前將其植入可編程芯片、完成聯(lián)機(jī)測(cè)試并制作一體化的定制電路（在現(xiàn)代，EDA技術(shù)的發(fā)展已使得制作單個(gè)專用集成電路的費(fèi)用降到了人們普遍可接受的水平）交付。由于構(gòu)建的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是單片式的、個(gè)性化的，故形成的系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品。</p><p>　　在EDA技術(shù)、可編程芯片技術(shù)高速發(fā)展的形勢(shì)下，人們已開始嘗試將大型信息系統(tǒng)通過上述第二種途徑來構(gòu)建并獲得了較

34、理想的結(jié)果。由此有人預(yù)言，計(jì)算機(jī)技術(shù)今后的發(fā)展將進(jìn)入一個(gè)基于可編程器件來構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的新時(shí)代。</p><p>　　1.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一般流程</p><p>　　當(dāng)一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用上述第二種途徑來實(shí)現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)過程可概述為：</p><p>　　1. 進(jìn)行目標(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析，確定對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的總體要求，確定目標(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)環(huán)境及

35、其相互關(guān)聯(lián)；</p><p>　　2. 確定滿足系統(tǒng)目標(biāo)要求的硬件、軟件的總體特性以及兩者間的相互關(guān)聯(lián)；</p><p>　　3. 并行地完成系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)（包括獨(dú)立的系統(tǒng)測(cè)試在內(nèi)）；</p><p>　　4. 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件在CPLD/FPGA中的系統(tǒng)集成，在相關(guān)系統(tǒng)設(shè)施（目前已有易得到的相應(yīng)設(shè)施）的支持下完成目標(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試；</p><

36、p>　　5. 將目標(biāo)系統(tǒng)制作為“專用集成電路”或“可編程的專用集成電路”交付。</p><p>　　在這種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)模式下，系統(tǒng)硬件部分的開發(fā)過程可概述為：</p><p>　　1. 進(jìn)行問題的系統(tǒng)分析，明確系統(tǒng)的目標(biāo)要求；</p><p>　　2. 確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)開發(fā)方案；</p><p>　　3. 在相應(yīng)EDA軟件

37、與硬件測(cè)試環(huán)境的支持下完成各相關(guān)部件的開發(fā)（這包括：形成部件的確定EDA描述、在EDA編輯工具的支持下將設(shè)計(jì)描述 — 原理圖/用指定“硬件描述語言”編寫的設(shè)計(jì)描述程序 — 輸入EDA系統(tǒng)、進(jìn)行部件的時(shí)序分析與仿真處理、進(jìn)行CPLD/FPGA芯片的引腳適配與重編譯、下載EDA系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)文件到基于CPLD/FPGA的硬件測(cè)試環(huán)境、應(yīng)用相應(yīng)硬件測(cè)試環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過這一系列的處理，即可得到相應(yīng)部件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）；</p>

38、<p>　　4. 在現(xiàn)代EDA技術(shù)下，由此開發(fā)的部件可如軟件中的“模塊”那樣簡單地被引用以構(gòu)成更復(fù)雜的硬件的設(shè)計(jì)資源；</p><p>　　5. 如開發(fā)部件那樣完成硬件的設(shè)計(jì)和基于CPLD/FPGA器件的實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　1.3 本文的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　第2章簡要地介紹了CPLD/FPGA的基本知識(shí)

39、，目的是闡明這種可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。</p><p>　　第3章為軟件開發(fā)環(huán)境Quartus II 9.0的基本知識(shí)和康芯電子有限公司的計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)箱的介紹。試驗(yàn)箱包括Altera公司的Cyclone FPGA器件和外圍按鍵，顯示模塊，可用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　第4章為8位通用運(yùn)算器和按鍵測(cè)試模塊的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要討論了運(yùn)算器的整體架構(gòu)，及其用于測(cè)試

40、的按鍵模塊的接口設(shè)計(jì)。</p><p>　　第5章為基本模塊的設(shè)計(jì)。該章描述了8位通用運(yùn)算器各單元模塊的設(shè)計(jì)和按鍵模塊各單元模塊的設(shè)計(jì)。</p><p>　　是對(duì)8位通用運(yùn)算器的測(cè)試。它綜合了單元模塊的測(cè)試和綜合測(cè)試，并給出了該8位通用運(yùn)算器能實(shí)現(xiàn)的指令的指令表。</p><p>　　為結(jié)束語。該章對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程做了總結(jié)，對(duì)設(shè)計(jì)的不足之處做了說明，并表達(dá)了對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

41、的體會(huì)。</p><p>　　第2章 CPLD/FPGA基本特性</p><p>　　可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的集成器件。PLD是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是一種半定制的集成電路，結(jié)合EDA技術(shù)可以快速方便地構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)。本章主要闡述幾類常用的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷慕Y(jié)構(gòu)和工作原理。</p>

42、<p>　　2.1 CPLD簡介</p><p>　　現(xiàn)在的PLD以大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路工藝制造的CPLD，F(xiàn)PGA為主。前面曾提到多種PLD器件在實(shí)用中已被淘汰，大致原因如下：（1）陣列規(guī)模較小，資源不夠用于數(shù)字系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)計(jì)較大的數(shù)字邏輯時(shí)，需要多片器件，性能，成本及設(shè)計(jì)周期都會(huì)受到影響。</p><p>　　片內(nèi)寄存器資源不足，且寄存器的結(jié)構(gòu)限制較多（如有的器件要求

43、時(shí)鐘共用），難以構(gòu)成豐富的時(shí)序電路。I/O不夠靈活，如三態(tài)控制等，限制了片內(nèi)資源的利用率。</p><p>　　編程不便，需要專用的編程工具，對(duì)于使用熔絲型的簡單PLD更是不便。</p><p>　　上述原因?qū)е铝耍唵蜳LD退出了歷史舞臺(tái)，取而代之的是CPLD和FPGA。</p><p>　　CPLD由可編程邏輯的功能塊圍繞一個(gè)可編程互連矩陣構(gòu)成。由固定長度的金屬

44、線實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互連，并增加了I/O控制模塊的數(shù)量和功能?？梢园袰PLD的基本結(jié)構(gòu)看成由可編程邏輯陣列（LAB）、可編程I/O控制模塊和可編程內(nèi)部連線（PIA）等三部分組成。</p><p>　　圖2-1 CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.1 可編程邏輯陣列（LAB）</p><p>　　可編程邏輯陣列由若干個(gè)可編程邏輯宏單元（Logic Macro

45、 Cell，LMC）組成， LMC內(nèi)部主要包括與陣列、或陣列、可編程觸發(fā)器和多路選擇器等電路，能獨(dú)立地配置為時(shí)序或組合工作方式。</p><p><b>　　乘積項(xiàng)共享結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　在CPLD的宏單元中，如果輸出表達(dá)式的與項(xiàng)較多，對(duì)應(yīng)的或門輸入端不夠用時(shí)，可以借助可編程開關(guān)將同一單元（或其他單元）中的其他或門與之聯(lián)合起來使用，或者在每個(gè)宏單元中提供

46、未使用的乘積項(xiàng)給其他宏單元使用。</p><p><b>　?。?）多觸發(fā)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　早期可編程器件的每個(gè)輸出宏單元（OLMC）只有一個(gè)觸發(fā)器，而CPLD的宏單元內(nèi)通常含兩個(gè)或兩個(gè)以上的觸發(fā)器，其中只有一個(gè)觸發(fā)器與輸出端相連，其余觸發(fā)器的輸出不與輸出端相連，但可以通過相應(yīng)的緩沖電路反饋到與陣列，從而與其他觸發(fā)器一起構(gòu)成較復(fù)雜的時(shí)序電路。這些不與

47、輸出端相連的內(nèi)部觸發(fā)器就稱為“隱埋”觸發(fā)器。這種結(jié)構(gòu)可以不增加引腳數(shù)目，而增加其內(nèi)部資源。</p><p><b>　　異步時(shí)鐘</b></p><p>　　早期可編程器件只能實(shí)現(xiàn)同步時(shí)序電路，在CPLD器件中各觸發(fā)器的時(shí)鐘可以異步工作，有些器件中觸發(fā)器的時(shí)鐘還可以通過數(shù)據(jù)選擇器或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選擇。此外，OLMC內(nèi)觸發(fā)器的異步清零和異步置位也可以用乘積項(xiàng)進(jìn)行控制，因而

48、使用更加靈活。</p><p>　　2.1.2 可編程I/O單元（IOC）</p><p>　　CPLD的I/O單元（Input/Output Cell，IOC），是內(nèi)部信號(hào)到I/O引腳的接口部分。根據(jù)器件和功能的不同，各種器件的結(jié)構(gòu)也不相同。由于陣列型器件通常只有少數(shù)幾個(gè)專用輸入端，大部分端口均為I/O端，而且系統(tǒng)的輸入信號(hào)通常需要鎖存。因此I/O常作為一個(gè)獨(dú)立單元來處理。</p&

49、gt;<p>　　2.1.3 可編程內(nèi)部連線（PIA）</p><p>　　可編程內(nèi)部連線的作用是在各邏輯宏單元之間以及邏輯宏單元和I/O單元之間提供互連網(wǎng)絡(luò)。各邏輯宏單元通過可編程連線陣列接收來自輸入端的信號(hào)，并將宏單元的信號(hào)送目的地。這種互連機(jī)制有很大的靈活性，它允許在不影響引腳分配的情況下改變內(nèi)部的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2 FPGA簡介</p>

50、<p>　　除CPLD外，F(xiàn)PGA是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷牧硪淮箢怭LD器件。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）采用另一種可編程邏輯形成方式，即可編程的查找表LUT（Look Up Table）結(jié)構(gòu)。LUT是可編程的最小邏輯單元。</p><p>　　圖2.-2 FPGA查找表單元</p><p>　　圖2-3 FPGA查找表內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　一個(gè)N

51、輸入查找表 (LUT，Look Up Table)可以實(shí)現(xiàn)N個(gè)輸入變量的任何邏輯功能，如 N輸入“與”、 N輸入“異或”等。輸入多于N個(gè)的函數(shù)、方程必須分開用幾個(gè)查找表（LUT）實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖2-4查找表“與”邏輯</p><p>　　N個(gè)輸入的邏輯函數(shù)需要2的N次方的容量的SRAM來實(shí)現(xiàn)，一般輸入多于N個(gè)的邏輯函數(shù)，其查找表采用多個(gè)邏輯塊級(jí)連的方式。N個(gè)輸入的邏輯函數(shù)需

52、要2的N次方的容量的SRAM來實(shí)現(xiàn)，一般輸入多于N個(gè)的邏輯函數(shù)，其查找表采用多個(gè)邏輯塊級(jí)連的方式。</p><p>　　圖2-5 查找表的級(jí)聯(lián)方式</p><p>　　查找表中的數(shù)就是SRAM陣列中所存邏輯函數(shù)的真值，查找表的輸入就是SRAM的地址輸入。</p><p>　　用LUT實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的過程：</p><p>　　將邏輯函數(shù)的真值表

53、事先存儲(chǔ)在LUT的存儲(chǔ)單元中，當(dāng)邏輯函數(shù)的輸入變量取不同組態(tài)時(shí)，相應(yīng)組態(tài)的二進(jìn)制取值構(gòu)成SRAM的地址，選中相應(yīng)地址對(duì)應(yīng)的SRAM單元，也就得到了輸入變量組合對(duì)應(yīng)的邏輯值。</p><p>　　第3章 軟硬件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　在EDA工具的設(shè)計(jì)環(huán)境中，有多種途徑來完成目標(biāo)系統(tǒng)的表達(dá)和輸入，如HDL的文本輸入方式，原理圖輸入方式，狀態(tài)圖輸入方式，以及混合輸入方式等。相比之下，HD

54、L文本輸入方式最基本，最直接。本章將討論基于Quartus II 9.0的VHDL文本輸入設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)輸入，綜合，適配，仿真測(cè)試和編程下載等重要方法。硬件平臺(tái)選取的是杭州康芯電子有限公司的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。</p><p>　　3.1 基本設(shè)計(jì)流程</p><p>　　Quartus II 是Altera公司繼Max+plus II之后開發(fā)的一種針對(duì)其公司生產(chǎn)的系列CPLD

55、/PGFA器件的綜合性開發(fā)軟件，它的版本不斷升級(jí)，從4.0版到10.0版，這里介紹的是Quartus II 9.0版，該軟件有如下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：</p><p>　　1、Quartus II 的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　該軟件界面友好，使用便捷，功能強(qiáng)大，是一個(gè)完全集成化的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，是先進(jìn)的EDA工具軟件。該軟件具有開放性、與結(jié)構(gòu)無關(guān)、多平臺(tái)、完全集成化、豐富的設(shè)計(jì)庫、模塊化工

56、具等特點(diǎn)，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。</p><p>　　Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設(shè)計(jì)流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)

57、一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。</p><p>　　2、Quartus II對(duì)器件的支持</p><p>　　Quartus II支持Altera公司的MAX 3000A系列、MAX 7000系列、MAX 9000系列、ACEX 1K系列、APEX 20K系列、APEX II系列、FLEX 6000系列、FLEX 10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘積項(xiàng)器件。支持MAX II

58、 CPLD系列、Cyclone系列、Cyclone II、Stratix II系列、Stratix GX系列等。支持IP核，包含LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加快了設(shè)計(jì)速度。此外，Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、嵌入

59、式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺(tái)。</p><p>　　3、Quartus II對(duì)第三方EDA工具的支持</p><p>　　對(duì)第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段使用熟悉的第三放EDA工具。</p><p>　　Altera的Quartus II可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)支持一個(gè)工作組環(huán)境下的設(shè)計(jì)要

60、求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設(shè)計(jì)。Quartus平臺(tái)與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供應(yīng)商的開發(fā)工具相兼容。改進(jìn)了軟件的LogicLock模塊設(shè)計(jì)功能，增添了FastFit編譯選項(xiàng)，推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。</p><p>　　用Quartus II軟件進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)的流程如圖3-1所示，包

61、括以下步驟。</p><p>　　圖 3-1 Quartus II設(shè)計(jì)開發(fā)流程</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)輸入：包括原理圖輸入、HDL文本輸入、EDIF網(wǎng)表輸入、波形輸入等幾種方式。</p><p>　?。?）編譯：先根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定編譯方式和編譯策略，如器件的選擇、邏輯綜合方式的選擇等；然后根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和策略對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行網(wǎng)表提取、邏輯綜合、器件適配，并產(chǎn)生

62、報(bào)告文件、延時(shí)信息文件及編程文件，供分析、仿真和編程使用。</p><p>　?。?）仿真與定時(shí)分析：仿真和定時(shí)分析均屬于設(shè)計(jì)校驗(yàn)，其作用是測(cè)試設(shè)計(jì)的邏輯功能和延時(shí)特性。仿真包括功能仿真和時(shí)序仿真。定時(shí)分析器可通過三種不同的分析模式分別對(duì)傳播延時(shí)、時(shí)序邏輯性能和建立/保持時(shí)間進(jìn)行分析。</p><p>　?。?）編程與驗(yàn)證：用得到的編程文件通過編程電纜配置PLD，加入實(shí)際激勵(lì)，進(jìn)行在線測(cè)試

63、。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需重新回到設(shè)計(jì)輸入階段，改正錯(cuò)誤或調(diào)整電路后重新測(cè)試。</p><p>　　圖3-2 Qurartus II 9.0開發(fā)環(huán)境</p><p>　　3.2 硬件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)硬件開發(fā)環(huán)境選擇的是杭州康芯電子有限公司的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。除按鍵模塊和GWA1C6A

64、型適配板外，本設(shè)計(jì)所用到的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要模塊如圖3-3。</p><p>　　圖3-3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　GWA1C6A適配板包含F(xiàn)PGA芯片。該芯片是Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列芯片，型號(hào)為EP1C12Q240C8，有240個(gè)引腳。</p><p>　　在設(shè)計(jì)8位通用運(yùn)算器使用到的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括輸入指令和數(shù)據(jù)的4乘4鍵盤，GW

65、A1C6A型適配板（未插RAM/Flash板和高速DAC/DAC板），用于顯示指令和數(shù)據(jù)流動(dòng)的全部的數(shù)碼管，顯示運(yùn)算結(jié)果標(biāo)志的LED燈，時(shí)序控制的按鍵等。</p><p>　　除此之外，硬件平臺(tái)還要用到用于下載程序的下載器USB Blaster。</p><p>　　第4章 8位通用運(yùn)算器設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本章對(duì)8位通用運(yùn)算器將描繪出其系統(tǒng)框圖，并對(duì)其各

66、功能部件及其作用進(jìn)行具體介紹。此外，本章還描述了用于測(cè)試運(yùn)算器的按鍵測(cè)試模塊。</p><p><b>　　4.1 總體結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　圖4-1 總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。主要包括按鍵模塊，8位通用運(yùn)算器模塊，數(shù)碼顯示模塊，及用于控制輸入的輸入控制信號(hào)。</p><p

67、>　　8位通用運(yùn)算器模塊接受來自按鍵的指令信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，內(nèi)部包括算術(shù)邏輯ALU，通用寄存器組，Q寄存器，ALU輸入多路選擇，輸出選擇器等5個(gè)模塊。</p><p>　　按鍵模塊接收16進(jìn)制輸入信號(hào)，并在輸入控制信號(hào)的控制下，完成指令輸入和數(shù)據(jù)輸入。</p><p>　　數(shù)碼顯示模塊共8個(gè)數(shù)碼顯示器，前4個(gè)數(shù)碼顯示管用于顯示輸入的指令，中間兩個(gè)數(shù)碼管用于顯示輸入的數(shù)據(jù)，最后兩個(gè)數(shù)碼管

68、顯示輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，另外還有4個(gè)指示燈，在做算術(shù)運(yùn)算時(shí)，其中1個(gè)表示結(jié)果為零標(biāo)志，1個(gè)表示結(jié)果為負(fù)標(biāo)志，1個(gè)表示溢出信號(hào)，1個(gè)表示進(jìn)位信號(hào)。</p><p>　　4.2 8位通用運(yùn)算器模塊</p><p>　　本節(jié)先介紹8位通用運(yùn)算器的指令，然后給出8位通用運(yùn)算器的對(duì)外接口，最后給出8位通用運(yùn)算器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　4.2.1 指令格式的設(shè)計(jì)</

69、p><p>　　這里所指的指令是控制器所發(fā)出的一系列信號(hào)的集合。此8位通用運(yùn)算器的指令包含寄存器R1地址（IR[2,0]），寄存器R2的地址（IR[5,3]）,低位進(jìn)位C，數(shù)據(jù)來源選擇（IR[9-7]）,功能選擇（IR[12-10]）,輸出選擇（IR[15-13]）。</p><p>　　表4-1 指令格式的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　其中C表示進(jìn)位輸入

70、</b></p><p>　　4.2.2 運(yùn)算器對(duì)外接口</p><p>　　圖4-2 8位通用運(yùn)算器對(duì)外接口</p><p>　　圖4-2是8位通用運(yùn)算器的對(duì)外接口圖，對(duì)其說明如下：</p><p>　　clk--時(shí)鐘信號(hào)輸入</p><p>　　aaddr[2..0]--第一操作數(shù)寄存器

71、地址輸入</p><p>　　baddr[2..0]--第二操作數(shù)寄存器地址輸入</p><p>　　d[7..0]--8位數(shù)據(jù)輸入</p><p>　　i[8..0]--9位指令輸入</p><p>　　cin--進(jìn)位輸入</p><p>　　y[7..0]--8位結(jié)果輸出&l

72、t;/p><p>　　feq0--零標(biāo)志輸出</p><p>　　f7--負(fù)標(biāo)志輸出</p><p>　　c8--進(jìn)位標(biāo)志輸出</p><p>　　ovr--溢出標(biāo)志輸出</p><p>　　4.2.3 8位通用運(yùn)算器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4-3 8

73、位通用運(yùn)算器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　從圖上可以看出R寄存器數(shù)據(jù)來源有寄存器組，D寄存器；S寄存器數(shù)據(jù)來源有寄存器組，Q寄存器；數(shù)據(jù)來源由指令I(lǐng)2-I0控制，而ALU執(zhí)行的運(yùn)算由I5-I3控制，ALU的輸出由I8-I6控制；指令I(lǐng)8-I0,進(jìn)位信號(hào)cin,寄存器地址baddr,aaddr及D數(shù)據(jù)都來自鍵盤輸入。</p><p>　　圖4-4是寄存器組輸出結(jié)構(gòu)圖，地址由譯碼器進(jìn)行譯碼，

74、通過脈沖控制門將寄存器組的內(nèi)容輸出到R，S寄存器。寄存器寫入也是以類似的方式將運(yùn)算結(jié)果傳送回相關(guān)寄存器。</p><p>　　圖4-4 寄存器輸出</p><p><b>　　圖4-5寄存器寫入</b></p><p>　　4.3 按鍵測(cè)試模塊</p><p>　　由于對(duì)8位通用運(yùn)算器的測(cè)試要求，所以，除了8位通用運(yùn)算器

75、之外還特別設(shè)計(jì)了鍵盤模塊和顯示模塊。</p><p>　　按鍵測(cè)試模塊分為按鍵模塊及指令和數(shù)據(jù)生成模塊。按鍵模塊完成對(duì)按鍵信號(hào)的檢測(cè)和編碼。指令和數(shù)據(jù)生成模塊在計(jì)數(shù)器的控制下，完成將鍵值通過移位的方式輸出為16位指令信號(hào)和8位數(shù)據(jù)信號(hào)。</p><p>　　圖4-6 按鍵測(cè)試模塊視圖</p><p>　　4.4 數(shù)碼顯示模塊</p><p>

76、　　圖4-7 數(shù)碼顯示模塊</p><p>　　前4個(gè)數(shù)碼管顯示的是指令碼，第5，6個(gè)數(shù)碼管顯示的是輸入數(shù)據(jù)，最后兩個(gè)數(shù)碼管顯示運(yùn)算結(jié)果。</p><p>　　4個(gè)指示燈依次為運(yùn)算結(jié)果為零標(biāo)志，運(yùn)算結(jié)果為負(fù)標(biāo)志，溢出標(biāo)志，進(jìn)位標(biāo)志。</p><p>　　第5章 基本模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)為一個(gè)基于VHDL語言的9位簡單指令，微處

77、理器的設(shè)計(jì)流程，包括微處理器的ALU操作數(shù)選擇、ALU功能選擇、RAM輸入輸出及移位操作，最后用頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行元件例化。通過編譯、仿真檢查程序，最后在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)下載。</p><p>　　5.1 ALU輸入選擇器的設(shè)計(jì)</p><p>　　指令的編碼方式如表5-1：</p><p>　　表5-1 ALU輸入選擇 </p><p>　　

78、其中，ALU輸入選擇，可以對(duì)ALU中運(yùn)算的操作數(shù)進(jìn)行選擇，即R和S，選擇信號(hào)A、B、D、Q、0到ALU。</p><p>　　ALU輸入選擇器是由微處理器指令中的源操作數(shù)所控制的兩個(gè)多路選擇器構(gòu)成的。輸出信號(hào)R在A、D和0之間選擇，S信號(hào)在A、B、Q和0之間選擇。其VHDL源程序如下：</p><p><b>　　--端口聲明</b></p><p

79、>　　entity alumux is</p><p>　　port(d,q,a,b:in unsigned(7 downto 0);</p><p>　　aluin_ctrl:in std_logic_vector(2 downto 0);--輸入選擇控制信號(hào)I2-I0</p><p>　　r,s:buffer unsigned(7 downto 0));

80、--r,s寄存器</p><p>　　end alumux;</p><p>　　architecture behavioral of alumux is</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　with aluin_ctrl select--R寄存器數(shù)據(jù)來源選擇</p>

81、<p>　　r<=a when "000"|"001",</p><p>　　"00000000" when "010"|"011"|"100",</p><p>　　d when others;</p><p>　　with

82、aluin_ctrl select--S寄存器數(shù)據(jù)來源選擇</p><p>　　s<=q when "000"|"010"|"110",</p><p>　　b when "001"|"011",</p><p>　　a when "100&quo

83、t;|"101",</p><p>　　"00000000" when others;</p><p>　　end behavioral;</p><p>　　5.2 ALU算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的設(shè)計(jì)</p><p>　　ALU算術(shù)運(yùn)算邏輯單元，可以對(duì)兩個(gè)8位操作數(shù)執(zhí)行3種算術(shù)運(yùn)算和5中邏輯運(yùn)算。輸入信號(hào)為

84、8位R信號(hào)，8位S信號(hào)以及進(jìn)位信號(hào)cin，輸出信號(hào)為f[3..0]、運(yùn)算結(jié)果為零標(biāo)志，負(fù)標(biāo)志，進(jìn)位輸出信號(hào)c8、和溢出標(biāo)志ovr。ALU的輸出信號(hào)f[7..0]還反饋到寄存器和存儲(chǔ)器。</p><p>　　表5-2 ALU功能選擇</p><p>　　ALU算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的主要功能是根據(jù)指令碼的要求。其VHDL源程序如下：</p><p>　　entity alu

85、 is</p><p>　　port(clk:in std_logic;--時(shí)鐘信號(hào)</p><p>　　r,s:in unsigned(7 downto 0);--r,s端輸入信號(hào)</p><p>　　alu_ctrl:in std_logic_vector(2 downto 0);--功能選擇信號(hào)</p><p&g

86、t;　　cin:in std_logic;--低位進(jìn)位輸入</p><p>　　f:buffer unsigned(7 downto 0);--結(jié)果輸出</p><p>　　feq0:buffer std_logic;--運(yùn)算結(jié)果為零輸出</p><p>　　f7:buffer std_logic;--負(fù)標(biāo)志輸出<

87、;/p><p>　　c8:buffer std_logic;--進(jìn)位輸出</p><p>　　ovr:buffer std_logic);--溢出輸出</p><p><b>　　end alu;</b></p><p>　　architecture behavioral of alu is<

88、/p><p>　　signal tr,ts,tf:unsigned(8 downto 0);</p><p>　　signal feq0_t,f7_t,c8_t,ovr_t:std_logic;</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　tr<='0'&r;

89、-</p><p>　　ts<='0'&s;</p><p>　　process(tr,ts,cin,alu_ctrl)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　case alu_ctrl is</p><p>　

90、　when "000"=>---加運(yùn)算r+s</p><p>　　if cin='0' then</p><p>　　tf<=tr+ts;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　tf<=tr+ts+1;&

91、lt;/p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　when "001"=>--減運(yùn)算s-r</p><p>　　if cin='0' then</p><p>　　tr<=(not tr)+1;</p><p>　

92、　tf<=tr+ts;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　tr<=not tr;</p><p>　　tf<=tr+ts;</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　when "0

93、10"=>--減運(yùn)算r-s</p><p>　　if cin='0' then</p><p>　　ts<=(not ts)+1;</p><p>　　tf<=tr+ts;</p><p><b>　　else</b></p><p>

94、;　　ts<=not ts;</p><p>　　tf<=tr+ts;</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　when "011"=>--或運(yùn)算</p><p>　　tf<=tr or ts;</p><p&g

95、t;　　when "100"=>--與運(yùn)算</p><p>　　tf<=tr and ts;</p><p>　　when "101"=>--非r</p><p>　　tf<=not tr;</p><p>　　when "110"

96、=>--異或運(yùn)算</p><p>　　tf<=tr xor ts;</p><p>　　when "111"=>--同或運(yùn)算</p><p>　　tf<=not(tr xor ts);</p><p>　　when others=>null;</p>

97、<p><b>　　end case;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　f<=tf(7 downto 0);--運(yùn)算結(jié)果f</p><p>　　c8_t<=tf(8);--進(jìn)位信號(hào)</p><p>　　ovr_t<=&

98、#39;1' when ((tf(8)/=tf(7))and(tr(7)=ts(7))) else '0';--溢出信號(hào)</p><p>　　feq0_t<='1' when f="00000000" else '0';--運(yùn)算結(jié)果為零標(biāo)志</p><p>　　f7_t<=tf(7);

99、--負(fù)標(biāo)志</p><p>　　process(clk,c8_t,ovr_t)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if clk'event and clk='1' then</p><p>　　c8<=c8_t;--進(jìn)位信號(hào)鎖存<

100、/p><p>　　ovr<=ovr_t;--溢出信號(hào)鎖存</p><p>　　feq0<=feq0_t;--運(yùn)算結(jié)果為零標(biāo)志鎖存</p><p>　　f7<=f7_t;--負(fù)標(biāo)志鎖存</p><p><b>　　end if;</b></p><

101、;p>　　end process;</p><p>　　end behavioral;</p><p>　　5.3 寄存器組RAM的設(shè)計(jì)</p><p>　　寄存器組RAM用于讀寫數(shù)據(jù)的雙端口存儲(chǔ)器。3位aaddr信號(hào)和baddr信號(hào)對(duì)包含8個(gè)寄存器的寄存器組進(jìn)行尋址，決定了輸出線A、B的讀出數(shù)據(jù)。</p><p>　　表5-3 輸入

102、輸出及移位操作</p><p>　　對(duì)寄存器組的操作包括在給定的地址信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。在本模塊中，數(shù)據(jù)的數(shù)入有3種不同的方式，由指令碼I[8..6]所示的方式進(jìn)行控制。其VHDL源程序如下：</p><p><b>　　--端口聲明</b></p><p>　　entity ram is</p><p>

103、　　port(clk:in std_logic;--時(shí)鐘信號(hào)</p><p>　　aaddr,baddr:in unsigned(3 downto 0);--寄存器組地址信號(hào)</p><p>　　f:in unsigned(7 downto 0);--結(jié)果輸出回送信號(hào)</p><p>　　ram_ctrl:in std_logic_vecto

104、r(2 downto 0);--輸出結(jié)果回送的輸入信號(hào)I8-I6</p><p>　　a,b:buffer unsigned(7 downto 0));--R，S輸入端緩沖器</p><p><b>　　end ram;</b></p><p>　　architecture behavioral of ram is</p>

105、;<p>　　type ram_type is array(15 downto 0) of unsigned(7 downto 0);</p><p>　　signal ab_data:ram_type;--ab_data寄存器組變量定義</p><p>　　signal ctrl:std_logic_vector(1 downto 0);</p>&

106、lt;p>　　signal ram0,ram7:std_logic;</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　ctrl<=ram_ctrl(2)&ram_ctrl(1);</p><p>　　process(clk,baddr)</p><p><b>　　beg

107、in</b></p><p>　　if clk'event and clk='1' then</p><p>　　case ctrl is</p><p>　　when "01"=>--輸出結(jié)果回送到寄存器組</p><p>　　ab_data(to_integer(baddr)

108、)<=f;</p><p>　　when "10"=>--右移</p><p>　　ab_data(to_integer(baddr))<=f(7)&f(7 downto 1);</p><p>　　when "11"=>--左移</p><p>　　ab_data(

109、to_integer(baddr))<=f(6 downto 0)&f(0);</p><p>　　when others=></p><p>　　ab_data(to_integer(baddr))<=ab_data(to_integer(baddr));</p><p><b>　　end case;</b><

110、;/p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　a<=ab_data(to_integer(aaddr));--讀第一操作數(shù)</p><p>　　b<=ab_data(to_integer(baddr));--讀第二操作數(shù)</p>

111、;<p>　　end behavioral;</p><p>　　5.4 寄存器qreg的設(shè)計(jì)</p><p>　　表5-4 Q寄存器輸入輸出及移位操作</p><p>　　寄存器的操作與RAM的操作類似，也具有保持、接收、左移和右移等功能，操作受時(shí)鐘信號(hào)CLK控制，其VHDL源程序如下：</p><p><b>　　

112、--端口聲明</b></p><p>　　entity qreg is</p><p>　　port(clk:in std_logic;--時(shí)鐘信號(hào)輸入</p><p>　　f:in unsigned(7 downto 0);--運(yùn)算結(jié)果回送輸入信號(hào)</p><p>　　q_ctrl:in std_logi

113、c_vector(2 downto 0);--Q寄存器控制信號(hào)</p><p>　　q:buffer unsigned(7 downto 0));--Q寄存器輸入緩沖器</p><p><b>　　end qreg;</b></p><p>　　architecture behavioral of qreg is</p>

114、;<p>　　signal q_data:unsigned(7 downto 0);</p><p>　　signal q0,q7:std_logic;</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　process(clk)</p><p><b>　　begin</b

115、></p><p>　　if clk'event and clk='1' then</p><p>　　case q_ctrl is</p><p>　　when "000"=>q_data<=f;--結(jié)果送入Q寄存器</p><p>　　when "100&qu

116、ot;=>q_data<=q7&q(7 downto 1);--右移</p><p>　　when "110"=>q_data<=q(6 downto 0)&q0;--左移</p><p>　　when others=>q_data<=q_data;</p><p><b>　　e

117、nd case;</b></p><p>　　q<=q_data;</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　q7<=f(7) when (q_ctrl="110" or q_ctrl="11

118、1") else 'Z';</p><p>　　q0<=f(0) when (q_ctrl="100" or q_ctrl="101") else 'Z';</p><p>　　end behavioral;</p><p>　　5.5 輸出選擇器設(shè)計(jì)</p>&l

119、t;p>　　綜合本小節(jié)和上兩個(gè)小節(jié)，得到的是數(shù)據(jù)的處理方式。如表5-5。</p><p>　　表5-5 數(shù)據(jù)處理方式選擇說明</p><p>　　輸出選擇器選擇將A信號(hào)或f信號(hào)輸出，用于選擇ALU輸出或者寄存器信號(hào)作為對(duì)外輸出信號(hào)。輸出選擇模塊主要是經(jīng)多路選擇器將輸出信號(hào)傳送到輸出總線y[７..0]，輸出信的選擇受指令碼控制，輸出總線構(gòu)成三態(tài)結(jié)構(gòu)，受控制端OE的控制。其VHDL源程序

120、如下：</p><p><b>　　--端口聲明</b></p><p>　　entity outmux is</p><p>　　port(a,f:in unsigned(7 downto 0);--輸入信號(hào)，第一操作數(shù)，結(jié)果</p><p>　　mux_ctrl:in std_logic_vector(2 d