16位CISC CPU的设计及仿真文献综述

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2016年3月15日
16位CISC CPU的设计及仿真文献综述
一、指令系统及复杂指令集
指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。

比如我们现在所用的CPU都是采用x86指令集的，他们都是同一类型的CPU，不管是INTEL的CPU、还是IMD的Athlon或Joshua。

世界上还有比这些更快的CPU，比如Alpha，但它们不是用x86指令集，不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序，如Windows98。

之所以说指令系统是一个CPU的根本属性，是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。

所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。

一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。

操作码其实就是指令序列号，用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。

地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。

在某些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。

例如某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且指令是减。

当它收到一个“00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。

于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到ALU中进行减法运算，然后把结果送到00000110处。

CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是CISC（Complex Instruction Set Computer的缩写）。

在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。

顺序执行的优点是控制简单。

二、VHDL定义及简介
VHDL是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。

因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。

目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD 的设计中。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，功能和接口。

除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），涉及到实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

VHDL系统设计的基本点与其他硬件描述语言相比具有以下特点：功能强大、设计灵活。

VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。

它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。

VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言虽不能比拟的。

VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。

支持广泛、易于修改。

由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。

在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。

强大的系统硬件描述能力。

VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。

而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。

另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。

VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。

独立于器件的设计、与工艺无关。

设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。

当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。

很强的移植能力。

VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。

易于共享和复用。

VHDL采用基于库的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。

这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。

三、CPU的设计意义
CPU是电子信息产品的核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，也
是一个国家技术实力的象征。

基于安全与市场利益的考虑，欧美、日、韩等集成电路强国一直致力于本国CPU的设计与研制。

中国作为一个大国，发展具有自主知识产权的国产CPU是提高信息产业自主创新能力、转变经济增长方式的重要抓手和着力点。

我国作为世界的重要一极，经济发展和国家安全客观要求必须发展自主可控的CPU产品和相关生态系统。

同时，追求创新是一切科技工作者的天性。

计算机CPU设计是人类创新研究最好的平台之一。

计算机科学是集人类智慧之大成的一门学科，CPU的设计研究不但主要关联着数学、逻辑学、电学，信息学等，而且将人类研究的一系列科学方法都包含进来了，各种各样的理论和方法在计算机世界都有充分地体现。

自己设计制作CPU，不仅能够快速地掌握计算机核心部件的工作原理和设计方法，而且在设计CPU的实践中，深刻理解CPU的工作过程和设计技巧，从而获得更加深入的理解，才能获得创新的真知灼见，创造和发现别人不曾理解和发明的东西。

参考文献
[1]徐惠民,安德宁.数字逻辑设计与VHDL描述.北京:机械工业出版社,2004.
[2]蒋本珊.计算机组成原理(第3版).北京:清华大学出版社,2013.
[3]李学干.计算机系统结构(第五版).西安:西安电子科技大学出版社,2011.
[4]卜艳萍,周伟.汇编语言程序设计教程.北京:清华大学出版社,2004.
[5]许笛,刘昌华,等. 16位CISC CPU的FPGA设计.计算机与数字工程,2011,5:167-171.
[6]王艳萍,吴兵. 基于VHDL语言的CISC-CPU系统设计.山东理工大学学报,2009,23(4):56-59.
[7]蒋丽华编著．基于EDA技术的单周期CPU设计与实现.北京：清华大学出版社，2012.6．
[8]米泽辽等著．CPU自制入门.北京：人民邮电出版社，2014.1．
[9]霍思磊编著．软核处理器内部设计分析.北京：电子工业出版社，2013.7．
[10]李亚民编著．计算机原理与设计．北京：清华大学出版社，2011.6．
[11]Barry B. Brey编著．Intel微处理器.北京：机械工业出版社，2010.6．
[12]亨尼斯等编著．计算机组成与设计：硬件/软件接口.北京：机械工业出版社，2012.1．
[13]英特尔亚太研发有限公司编著．处理器架构.上海：上海交通大学出版社，2011.1．
[14]杨春武编著．开放式实验CPU设计.北京：清华大学出版社，2007.6．
[15]黄继业等编著． EDA技术实用教程.北京：科学出版社，2010.6．
[16]帕特森等编著．计算机体系结构：量化研究方法.北京：人民邮电出版社，2013.1．
[17]林敏，方颖立编．VHDL 数字系统设计与高层次综合.北京：电子工业出版社，2002.1。