简单CPU模拟器的设计

 

 一．实验目的：

了解CPU结构，了解掌握指令集，清楚了解指令执行过程，熟悉相关CPU设计技术，为研究和工作打下基础。

 

二．设计思路：

基本理论：

CPU的硬件执行过程是可以对应到软件过程的，即用语言模拟实现CPU的功能与结构，软件与硬件是等价的。

 

设计之前准备：

首先熟悉了CPU的指令集以及指令执行过程中相关部件的运行情况，分析指令流程图；了解硬件结构，如PC寄存器，寄存器堆，状态寄存器，存储器，然后设置相关对应变量。

 

程序思路：

1.CPU的一个执行周期由一个循环结构来实现，一个周期又分为取指，译码，执行，访存，写回。

 

2.在取指阶段，根据PC所示地址，从指令存储器取指令，送往取指阶段的IF_Inst变量，同时PC=PC+1; 之后，为了不让流水线中的后来指令覆盖前面的指令，指令依次传往ID_Inst,EX_Inst,MA_Inst,WB_Inst.

 

3．在译码阶段采用“按位与”的方法取操作数和操作码.

 

4.在执行阶段根据译码阶段取的操作数和操作码执行加，减，乘，除以及进位操作.

 

5.将执行过程中改变的寄存器或标志位写回，判断是否（半）进（借）位，是否溢出，结果是否为0.

 

6.访问存储器，存取数据到数据存储器,利用counter变量控制访问内存所用周期数.

 

7.由C语言库中文件输入/输出函数读入指令与数据分别到各自存储器(Harvard结构),输出标志位寄存器的值.

   

三.程序源代码
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
///开始主函数
void main()
{short int InstrRAM[1000];///指令存储器
short int DataRAM[1000];///数据存储器

int nextpc=0;///定义各pc
int IF_pc=0;
int ID_pc=0;
int EX_pc=0;
int MA_pc=0;
int WB_pc=0;
int time=0;
short int regist[32]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};///定义r0~r31共32个寄存器
short int srregist[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};///定义程序状态寄存器，分别表示C，Z，N，V，S，H，T，I
char  sr[8]={'C','Z','N','V','S','H','T','I'};
short int re_resou_no,re_dest_no;///定义源操作数寄存器号和目的操作数寄存器号
int relativeadress; ///定义rjmp  brim相对地址
short int data_pc=0;///定义数据寄存器指针pc
int mul_EX_data;
int true_add=0;
int true_sub=0;
int true_mul=0;
int true_rjmp=0;
int true_brmi=0;
int true_mov=0;
int true_ldi=0;
int true_ld=0;
int true_st=0;
int true_nop=0;///控制变量
int i,j=0;
short int resoudata,destindata;
short int IF_Inst,ID_Inst,EX_Inst,MA_Inst,WB_Inst;
int done=0;
int counter=0;
int n=0;

FILE *f;
///读取指令到存储器
f=fopen("instruction.data","rb");
if (f==NULL)
printf("wrong\n\n\n");
fread(InstrRAM,1,100,f);
fclose(f);

///读取数据到存储器
f=fopen("data.data","rb");
if (f==NULL)
printf("wrong\n\n\n");
fread(DataRAM,1,100,f);
fclose(f);

f=fopen("everytime.txt","w");
fclose(f);

f=fopen("DataRAM.txt","w");
fclose(f);

///周期循环开始
while(done==0)
{
 time++;

 //////IF  stage
 if(n%5==0)
 {//if
 IF_pc=nextpc;
    nextpc++;
    IF_Inst=InstrRAM[IF_pc];
 n++;}//if  IF   stage end

 //////ID  stage    ///true_add=true_sub=true_mul=true_rjmp=true_brmi=true_mov=true_ldi=true_ld=true_st=true_nop=0;
 if(n%5==1){//if
ID_Inst=IF_Inst;
ID_pc=IF_pc;

if ((ID_Inst&0xffff)==0xffff)///判断是否取指到末尾
{done=1;}

else ///翻译指令代码开始v
{
 
///adddecode  0000 11rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if((ID_Inst&0xfc00)==0x0c00)
{
re_dest_no=ID_Inst&0x01f0;
re_dest_no>>=4;
re_resou_no=ID_Inst&0x000f;
i=ID_Inst&0x0200;
i>>=5;
re_resou_no=re_resou_no+i;
destindata=regist[re_dest_no];
resoudata=regist[re_resou_no];
true_add=1;
}

///subdecode  000110rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if((ID_Inst&0xfc00)==0x1800)
{re_dest_no=ID_Inst&0x01f0;
re_dest_no>>=4;
re_resou_no=ID_Inst&0x000f;
i=ID_Inst&0x0200;
i>>=5;
re_resou_no=re_resou_no+i;
destindata=regist[re_dest_no];
destindata=regist[re_dest_no];
resoudata=regist[re_resou_no];
true_sub=1;
}

///muldecode  1001 11rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if((ID_Inst&0xfc00)==0x9c00)
{re_dest_no=ID_Inst&0x01f0;
re_dest_no>>=4;
re_resou_no=ID_Inst&0x000f;
i=ID_Inst&0x0200;
i>>=5;
re_resou_no=re_resou_no+i;
destindata=regist[re_dest_no];
resoudata=regist[re_resou_no];
true_mul=1;
}

///rjmpdecode  1100 kkkk kkkk kkkk     relativeadress
if((ID_Inst&0xf000)==0xc000)
{relativeadress=ID_Inst&0x0fff;
ID_pc=ID_pc+relativeadress+1;
true_rjmp=1;
}

///brmidecode  1111 00kk kkkk  k010    relativeadress
if((ID_Inst&0xfc07)==0xf002)
{relativeadress=ID_Inst&0x03f8;
relativeadress>>=3;
ID_pc=ID_pc+relativeadress+1;
true_brmi=1;
}

 

///movdecode  0010 11rd dddd  rrrr    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if((ID_Inst&0xfc00)==0x2c00)
{re_dest_no=ID_Inst&0x01f0;
re_dest_no>>=4;
re_resou_no=ID_Inst&0x000f;
i=ID_Inst&0x0200;
i>>=5;
re_resou_no+=i;
resoudata=regist[re_resou_no];
true_mov=1;
}

 

//ldidecode  1110 kkkk dddd  kkkk    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if((ID_Inst&0xf000)==0xe000)
{re_dest_no=ID_Inst&0x00f0;
re_dest_no>>=4;
if(re_dest_no<16)
re_dest_no+=16;
resoudata=ID_Inst&0x0f00;
resoudata>>=4;
destindata=ID_Inst&0x000f;
resoudata+=destindata;
if(resoudata>0x00ff)
{printf("The input number is out of capacity!!please input another resourcedata!!");
break;}
true_ldi=1;
}

 
//lddecode  1001 000d dddd  1100    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];
if((ID_Inst&0xfe0f)==0x900c)
{re_dest_no=ID_Inst&0x01f0;
re_dest_no>>=4;
data_pc=regist[27]+regist[26];
resoudata=DataRAM[data_pc];
true_ld=1;
}

 

//stdecode  1001 001r rrrr  1100    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];
if((ID_Inst&0xfe0f)==0x920c)
{re_resou_no=ID_Inst&0x01f0;
re_resou_no>>=4;
data_pc=regist[27]+regist[26];
true_st=1;
}

//nopdecode  0000 0000 0000 0000    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];
if((ID_Inst&0xffff)==0x0000)
{for(i=0;i<20000;i++);
true_nop=1;}
n++;}
}

//////EX   stage     true_add=true_sub=true_mul=true_rjmp=true_brmi=true_mov=true_ldi=true_ld=true_st=true_nop=0;
if(n%5==2)
{
EX_Inst=ID_Inst;
EX_pc=ID_pc;

///add  EX      0000 11rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata
if(true_add==1){
regist[re_dest_no]=resoudata+destindata;
if(regist[re_dest_no]>0x00ff)
{printf("The sub is out of capacity!!please input another resourcedata!!");
break;}
}

///sub  EX      ///subdecode  000110rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata

if(true_sub==1){
regist[re_dest_no]=destindata-resoudata;
true_sub=1;}

///mul  EX     ///muldecode  1001 11rd dddd rrrr  re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata    mul_EX_data;   r1:r0;

if(true_mul==1){
mul_EX_data=resoudata*destindata;
regist[0]=mul_EX_data&0x0000ffff;
mul_EX_data=mul_EX_data&0xffff0000;
regist[1]=mul_EX_data>>16;
}

///rjmp  EX    ///rjmpdecode  1100 kkkk kkkk kkkk kkkk    relativeadress

if(true_rjmp==1){
IF_pc=ID_pc;
 n=0;}

///brmi  EX    ///brmidecode  1111 00kk kkkk  k010    relativeadress  short int srregist[8];///定义程序状态寄存器，分别表示C，Z，N，V，S，H，T，I

if(true_brmi==1){
if(srregist[2]==1)
{IF_pc=ID_pc;
n=0;
}
}

///mov  EX     ///movdecode  0010 11rd dddd  rrrr    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata

if(true_mov==1){
regist[re_dest_no]=resoudata;}

///ldi  EX     //ldidecode  1110 kkkk dddd  kkkk    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata

if(true_ldi==1){
regist[re_dest_no]=resoudata;}

 

 

///nop  EX     //nopdecode  0000 0000 0000 0000    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];

if(true_nop==1){
for(i=0;i<20000;i++);}

n++;}//////EX  stage

 

//////MA  stage
if(n%5==3)
{MA_Inst=EX_Inst;
MA_pc=EX_pc;

while(counter<5)
{counter++;
}

if(counter==5)////
{///ld  EX      //lddecode  1001 000d dddd  1100    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];

if(true_ld==1){
regist[re_dest_no]=resoudata;}

///st  EX      //stdecode  1001 001r rrrr  1100    re_resou_no,re_dest_no        resoudata,destindata   DataRAM   data_pc  regist[32];

if(true_st==1){
DataRAM[data_pc]=regist[re_resou_no];
}

}///if
counter=0;
n++;}//////MA  stage  end

 

//////WB  stage   reset the  srregist[8]中各位的标志值
   
if(n%5==4)     //////short int srregist[8];///定义程序状态寄存器，分别表示C，Z，N，V，S，H，T，I

{ ///sub  effect  srregistz : c  n   v   h   s    z: 0标志位  c：无符号溢出  n：负数标志   v：有符号溢出   h：半进位标志   s：n^v;
 WB_Inst=MA_Inst;
 WB_pc=MA_pc;
if(true_add==1){                      
regist[re_dest_no]=resoudata+destindata;
if(regist[re_dest_no]==0)   srregist[1]=1;
if(regist[re_dest_no]<0)   srregist[2]=1;
if((resoudata>=0)&&(destindata>=0)&&(regist[re_dest_no]<0))   srregist[3]=1;
if((resoudata<=0)&&(destindata<=0)&&(regist[re_dest_no]>0))   srregist[3]=1;
if(((resoudata&0x00ff)+(destindata&0x00ff))>=0x0100)  srregist[5]=1;
srregist[4]=srregist[2]^srregist[3];
}

 ///sub  effect  srregistz : c  n   v   h   s

if(true_sub==1){
regist[re_dest_no]=destindata-resoudata;
if(regist[re_dest_no]==0)   srregist[1]=1;
if(regist[re_dest_no]<0)   srregist[2]=1;
if((resoudata<=0)&&(destindata>=0)&&(regist[re_dest_no]<0))   srregist[3]=1;
if((resoudata>=0)&&(destindata<=0)&&(regist[re_dest_no]>0))   srregist[3]=1;
if((destindata&0x00ff)<(resoudata&0x00ff))          srregist[5]=1;
srregist[4]=srregist[2]^srregist[3];}
 

  ///mul  effect  srregist  :z  c
if(true_mul==1){
if(mul_EX_data==0)   srregist[2]=1;
if(mul_EX_data>=0x0100)   srregist[0]=1;}

n++;}/////WB  stage  end
///输出部分的程序代码
for(j=0;j<=7;j++) 
printf("sr%d:%d\n\n",j, srregist[j]);

 

for(j=0;j<32;j++) 
printf("r%d:%hx\n\n",j, regist[j]);

 

  
true_add=0;
 true_sub=0;
true_mul=0;
 true_rjmp=0;
 true_brmi=0;
 true_mov=0;
 true_ldi=0;
 true_ld=0;
 true_st=0;
 true_nop=0;
 
 
 f=fopen("everytime.txt","a");
 fprintf(f,"第%d周期:\n\n",time);
 for(j=0;j<=7;j++)
 {fprintf(f,"%c:%d   ",sr[j],srregist[j]);}
 fputs("\n\n",f);
 for(j=0;j<=31;j++)
 {fprintf(f,"r%d:%hx   ",j,regist[j]);
 if(j%15==0)  fputs("\n\n",f);}  
 fputs("\n\n",f);
fclose(f);

///fwrite(vol(array),sizeof(float),Size,fp);*********binary
///fprintf(FILE *f,格式，参数列表)；
///fputc(c,FILE *f);
}///while  end
f=fopen("DataRAM.txt","a");
for(j=0;j<=1000;j++)
{fprintf(f,"%hx  ",DataRAM[j]);
if((DataRAM[j]&0xffff)==0xffff)
break;

}
fclose(f);
}///main 括号

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