VHDL实现的简单CPU状态机与指令集

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本资源是一份详细的VHDL编程指南，专注于设计一个基于状态机的简单CPU模型。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于创建和验证数字系统的设计。在这个CPU设计中，作者采用了标准库`ieee`，特别是`std_logic_1164`和`std_logic_unsigned`，以实现逻辑电路的行为描述。首先，资源中的`namespack`包定义了一系列的状态常量，每个常量代表CPU的不同操作阶段或指令类型。这些状态包括： 1. `idle`：表示CPU处于空闲状态，等待下一条指令。 2. `load`：用于加载指令地址到指令寄存器。 3. `move`：用于处理数据移动操作。 4. `addP`, `subP`, `andP`, `orp`, `xorP`, `shrp`, `shlp`: 分别对应加法、减法、与、或、异或、右移和左移操作。 5. `swap`: 数据交换指令。 6. `jmp` 和 `jz`: 分别代表跳转和条件跳转，用于控制程序流程。 7. `read` 和 `write`: 读取和写入数据到内存的操作。 8. `stop`: CPU执行完成或遇到错误时停止。接着，`cpu`实体的声明部分进一步扩展了设计，表明这是一个可复用的模块，可以被包含在其他更大的系统设计中。该实体可能包含了指令解码器、数据路径、寄存器组、计数器等组成部分，它们通过状态机协同工作来执行基本的算术和控制操作。在VHDL编程中，这样的CPU设计通常会涉及到以下步骤： 1. **结构描述**（Structural Modeling）：定义硬件组件如门级逻辑、触发器、存储器等。 2. **行为描述**（Behavioral Modeling）：使用状态机描述CPU的工作流程和响应输入信号的方式。 3. **编译与验证**：使用VHDL工具进行编译，生成硬件描述语言描述的网表文件，然后在仿真器或实际硬件上验证其功能。通过学习这份资源，读者将深入了解如何利用VHDL语言实现一个基础CPU，并理解状态机在设计中的作用。这对于理解计算机体系结构和数字逻辑设计有着重要意义，对于希望从事硬件设计或者深入理解嵌入式系统的工程师来说，这是一份宝贵的学习材料。

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.ALL;

PACKAGE namespack IS

CONSTANT idle : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0000";

CONSTANT load : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0001";

CONSTANT move : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0010";

CONSTANT addP : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0011";

CONSTANT subp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0100";

CONSTANT andp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0101";

CONSTANT orp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0110";

CONSTANT xorp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="0111";

CONSTANT shrp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1000";

CONSTANT shlp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1001";

CONSTANT swap : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1010";

CONSTANT jmp : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1011";

CONSTANT jz : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1100";

CONSTANT read : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1101";

CONSTANT write : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1110";

CONSTANT stop : std_logic_vector(3 DOWNTO 0) :="1111";

END namespack;

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.ALL;

USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

USE WORK.namespack.ALL;

------------------------cpu 实体声明---------------------------------

ENTITY cpu IS

PORT(

reset : IN std_logic; --清零信号低有效

clock : IN std_logic; --时钟信号

Write_Read: OUT std_logic; --读写信号,'1'为写

M_address: OUT std_logic_vector(11 DOWNTO 0); --地址线

M_data_in: IN std_logic_vector(7 DOWNTO 0); --数据输入线

M_data_out: OUT std_logic_vector(7 DOWNTO 0); --数据输出线

overflow: OUT std_logic); --溢出标志

END cpu;

------------------------cpu 寄存器传输级行为描述--------------------------------

ARCHITECTURE RTL OF cpu IS

SIGNAL IR: std_logic_vector(15 DOWNTO 0); --指令寄存器

SIGNAL MDR: std_logic_vector(7 DOWNTO 0); --数据寄存器

SIGNAL MAR: std_logic_vector(11 DOWNTO 0); --地址寄存器

SIGNAL status: integer RANGE 0 TO 6; --状态寄存器

BEGIN

status_change: PROCESS(reset, clock, status )

BEGIN

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