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计算机组成实验——运算器的设计

时间:2024-07-23 15:27:24浏览次数:19  
标签:begin code end 计算机 clk CA 实验 input 运算器

要求采用原理图输入方式设计顶层文件,实现 ALU 与寄存器组的集成。将 8 位 ALU 和寄存器组设计文件分别进行编译,将 ALU 和寄存器组设计文件生成两个模块符号。新建一个原理图设计文件,调入 ALU 和寄存器组的符号模块,把这两个模块进行连接,加上输入端和输出端,实现二者的集成。

ALU 的输入数据可来自寄存器组中指定的通用寄存器 R0~R3,也可来自 8 位的 PC 寄存器。ALU的输出可存放到指定的通用寄存器 R0~R3,也可存放到 8 位的 PC 寄存器寄。可通过一个控制信号 Sout 来控制将某一个通用寄存器 R0~R3 的数据输出给 ALU 的输入端,还是将 8 位 PC 寄存器的数据输出给 ALU 的输入端。

4 个通用寄存器 R0~R3 以及 PC 可通过 8 位数据输入引脚接收外部输入的 8 位数据 Data,也可接收来自 ALU 的运算结果。可通过一个控制信号 Sin 来控制寄存器接收的数据是来自外部数据引脚还是 ALU 的输出。

4 个通用存器 R0~R3 的输出连接到两个七段数码管显示,PC 的输出也连接到两个七段数码管显 示。

ALU与寄存器组集成的结构框图

一、实验分析与设计

由实验内容可将程序分为四个部分:外部输入模块、CPU寄存器组模块、ALU计算模块,外部显示模块。

外部输入模块:由矩阵键盘输入值八位值D。由于需要多次读取键盘值,此处采用状态机实现:读取值1——等待(当前按键松开,避免重复读取)——读取值2——等待。读取两次键盘,共八位,存入D中。可参照本专栏文章

CPU寄存器组模块:由Sin控制存入值T为外部输入值D还是ALU计算值F。M、RA等控制寄存器组。由Sout控制输出值CA为通用寄存器值R还是专用寄存器值PC。可参照本专栏文章

ALU计算模块:计算的输入值为寄存器组的输出值CA,计算后输出值为F。可参照本专栏文章

外部显示模块:将外部输入值D,寄存器输出值CA,ALU计算输出值F显示在数码管上。通过SEL控制动态扫描。

二、程序代码

顶层模块

module sy6(clk,key_R,key_C,D,Sin,M,RESET,RA,Wr,Rd,Sout,CA,Cin,S,Sel,Wt,Overflow,F,SEL,code);
	input clk;
	input[3:0]key_R;
	output [3:0]key_C;
	output [7:0]D;
	
	input Sin;
	input [1:0]M;
	input RESET;
	input [1:0]RA;
	input Wr,Rd;
	input Sout;
	output [7:0]CA;
	
	input Cin;
	input [2:0]S;
	input Sel,Wt;
	output Overflow;
	output [7:0]F;
	
	output [2:0]SEL;
	output [7:0]code;
	
	sy6_input s1(clk,key_R,key_C,D);	//获取键盘输入的值到D
	sy6_CPURegister s2(clk,Sin,D,F,M,RESET,RA,Wr,Rd,Sout,CA);	//输入外部值D或ALU计算值F,输出寄存器组的值CA
	sy6_ALU s3(clk,Cin,CA,S,Sel,Wt,Overflow,F);	//输入来自寄存器组的值CA,计算得值F
	sy6_show s4(clk,D,CA,F,SEL,code);	//输出D,CA,F的值

endmodule

外部输入模块

module sy6_input(clk,key_R,key_C,D);
	input clk;
	input[3:0]key_R;
	output reg[3:0]key_C;
	output reg[7:0]D;
	
	reg flag;
	reg [1:0]row;
	reg [3:0]Q;

	always @(posedge clk)
	begin
		if(key_R==4'b1111)
			flag=0;
		else
			flag=1;
		if(flag==0)
			row=row+1;
	end

	always @(posedge clk)
	begin
		case(row)
			0:key_C=4'b1110;
			1:key_C=4'b1101;
			2:key_C=4'b1011;
			3:key_C=4'b0111;
		endcase
	end

	always @(posedge clk)
	begin
		case({key_C,key_R})
			8'b11101110:Q=4'hd;
			8'b11101101:Q=4'hf;
			8'b11101011:Q=4'h0;
			8'b11100111:Q=4'he;
			8'b11011110:Q=4'hc;
			8'b11011101:Q=4'h9;
			8'b11011011:Q=4'h8;
			8'b11010111:Q=4'h7;
			8'b10111110:Q=4'hb;
			8'b10111101:Q=4'h6;
			8'b10111011:Q=4'h5;
			8'b10110111:Q=4'h4;
			8'b01111110:Q=4'ha;
			8'b01111101:Q=4'h3;
			8'b01111011:Q=4'h2;
			8'b01110111:Q=4'h1;
		endcase
	end
	
	reg [1:0]state=2'b00;
	integer k = 0;
	//状态机实现读取多次值
	always @(posedge clk)
	begin
		if(state == 2'b00 && flag)	//取值1
			begin
				k = 0;
				D[7:4] = Q;
				state = 2'b01;
			end
		else if(state == 2'b01)	//等待
			begin
				if(k > 100000) state = 2'b10;
				else k = k + 1;
			end
		else if(state == 2'b10 && flag) //取值2
			begin
				k = 0;
				D[3:0] = Q;
				state = 2'b11;
			end
		else if(state == 2'b11)	//等待
			begin
				if(k > 100000) state = 2'b00;
				else k = k + 1;
			end
	end
endmodule

CPU寄存器组模块

module sy6_CPURegister(clk,Sin,D,F,M,RESET,RA,Wr,Rd,Sout,CA);
	input clk,Sin;
	input [7:0]D,F;
	input [1:0]M;
	input RESET;
	input [1:0]RA;
	input Wr,Rd;
	input Sout;
	
	output reg[7:0]CA;
	
	reg [7:0]T,R,R0,R1,R2,R3,PC;
	//输入值
	always@(Sin)
	begin
		if(Sin) T =F;
		else T = D;
	end
	//通用寄存器
	always@(RA,Wr,Rd)
	begin
		if(!Wr & Rd)
		begin
			case(RA)
				2'b00 : R0 = T;
				2'b01 : R1 = T;
				2'b10 : R2 = T;
				2'b11 : R3 = T;
			endcase
		end
		else if(Wr & !Rd)
		begin
			case(RA)
				2'b00 : R = R0;
				2'b01 : R = R1;
				2'b10 : R = R2;
				2'b11 : R = R3;
			endcase
		end
	end
	//分频,实现PC加一、减一
	reg clk1 = 0;
	integer k = 0;
	
	always@(posedge clk)
	begin
		if(k < 100000) k = k + 1;
		else
		begin
			k = 0;
			clk1 = ~clk1;
		end
	end
	//PC
	always@(negedge clk1)
	begin
		if(!RESET) PC = 8'd0;
		else
		begin
			case(M)
				2'b00 : PC = PC;
				2'b01 : PC = PC + 1'b1;
				2'b10 : PC = PC - 1'b1;
				2'b11 : PC = T;
			endcase
		end
	end
	//输出值
	always@(posedge clk)
	begin
		if(Sout) CA = PC;
		else CA = R;
	end

endmodule

ALU计算模块

module sy6_ALU(clk,Cin,D,S,Sel,Wt,Overflow,F);
	input clk,Cin;
	input[7:0] D;
	input[2:0] S;
	input Sel,Wt;
	
	output Overflow;
	output reg[7:0]F;
	reg Overflow = 0;
	
	reg[8:0] A,B,FT;
	//输入
	always@(posedge Wt)	
	begin
		if(Sel == 0) 
		begin
			A[7:0] = D;
			A[8] = D[7];
		end
		else 
		begin
			B[7:0] = D;
			B[8] = D[7];
		end
	end
	//计算
	always@(S)
	begin
		Overflow = 0;
		case(S)
			3'd0: FT = 9'd0;
			3'd1: FT = A & B;
			3'd2: FT = A | B;
			3'd3: FT = A ^ B;
			3'd4: 
			begin
				FT = A + B + Cin;
				if(FT[8] ^ FT[7]) Overflow = 1;
			end
			3'd5: FT[7:0] = {A[6:0],1'b0};
			3'd6: FT[7:0] = {1'b0,A[7:1]};
			3'd7: FT = A >> 1;
			default: FT = 9'd0;
		endcase
		F = FT[7:0];
	end
endmodule

外部显示模块

module sy6_show(clk,D,CA,F,SEL,code);
	input clk;
	input [7:0]D,CA,F;
	output reg[2:0]SEL;
	output reg[7:0]code;
	
	reg[4:0]Data;
	
	always@(posedge clk)
	begin
		if(SEL < 3'b111) SEL = SEL + 1;
		else SEL = 3'b000;
	end
	
	reg showno=0;
	
	always@(SEL)
	begin
		case(SEL)
			3'b000 : begin showno = 0;Data = D[7:4];end
		   3'b001 : begin showno = 0;Data = D[3:0];end
			3'b010 : showno = 1;	//空一位,不显示
			3'b011 : begin showno = 0;Data = CA[7:4];end
		   3'b100 : begin showno = 0;Data = CA[3:0];end
			3'b101 : showno = 1; //空一位,不显示
			3'b110 : begin showno = 0;Data = F[7:4];end
		   3'b111 : begin showno = 0;Data = F[3:0];end
		endcase
	end
	
	always @(Data)
	begin
		if(showno) code = 8'h00;
		else
			case(Data)
				4'd0 : code = 8'h3f;
				4'd1 : code = 8'h06;
				4'd2 : code = 8'h5b;
				4'd3 : code = 8'h4f;
				4'd4 : code = 8'h66;
				4'd5 : code = 8'h6d;
				4'd6 : code = 8'h7d;
				4'd7 : code = 8'h07;
				4'd8 : code = 8'h7f;
				4'd9 : code = 8'h6f;
				
				4'd10: code = 8'h77;
				4'd11: code = 8'h7c;
				4'd12: code = 8'h39;
				4'd13: code = 8'h5e;
				4'd14: code = 8'h79;
				4'd15: code = 8'h71;
				default : code = 8'bx;
			endcase
	end
endmodule

标签:begin,code,end,计算机,clk,CA,实验,input,运算器
From: https://blog.csdn.net/gwlCSDN/article/details/140604129

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