8位CPU设计与实现

计

算

机

组

成

原

理

论

文

姓名：某某

班级：计科一班学号：

8位CPU的设计与实现论文

CPU 的主要功能是执行指令，控制完成计算机的各项操作，包括运算操作、传送操作、输入/输出操作等。作为模型计算机设计，将重点放在寄存器组，采取较简单的组成模式，以尽量简洁的设计帮助读者掌握CPU 的基本原理。

此次设计CPU就是为了了解CPU运行的原理，从而完成从指令系统到CPU 的设计，并且通过仿真对CPU设计进行正确性评定。

关键词：CPU，设计指标，电路原理图，运算部件，寄存器组，模型

机指令系统，微命令序列，数据通路

1. 设计的任务与要求

1.1设计指标

1. 能实现IN(输入)、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、

JMP（无条件转移）这五种指令；

2. 整个系统能正常稳定工作。

1.2 设计要求

1. 画出电路原理图；

2.写出设计的全过程，附上有关资料和图纸(也可直接写在相关章节中)，

有心得体会。

2. 方案论证与选择

2.1 CPU的系统方案

CPU 主要由算术逻辑单元ALU，数据暂存寄存器DR1、DR2，数据寄存器R0～R2，程序计数器PC，地址寄存器AR，程序/数据存储器MEMORAY，指令寄存器IR，微控制器uC，输入单元INPUT 和输出单元OUTPUT 所组成。图中虚线框内部分包括运算器、控制器、程序存储器、数据存储器和微程序存储器等，实测时，它们都可以在单片FPGA 中实现。虚线框外部分主要是输入/输出装置，包括键盘、数码管、LCD 显示器等，用于向CPU 输入数据，或CPU 向外输出数据，以及观察CPU 内部工作情况及运算结果。

1．运算部件

运算部件的任务是对操作数进行加工处理。主要由三部分组成：

（1）输入逻辑。（2）算术/逻辑运算部件ALU。（3）输出逻辑

2．寄存器组

计算机工作时，CPU 需要处理大量的控制信息和数据信息。例如对指令信息进行译码，以便产生相应控制命令对操作数进行算术或逻辑运算加工，并且根据运算结果决定后续操作等。因此，在CPU 中需要设置若干寄存器，暂时存放这些信息。在模型CPU中，寄存器组由R0、R1、R2 所组成。

3．指令寄存器指令寄存器（IR）

指令寄存器指令寄存器（IR）用来存放当前正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信息等，是产生微命令的主要逻辑依据。

4．程序计数器程序计数器（PC）

程序计数器程序计数器也称指令指针，用来指示指令在存储器中的存放位置。当程序顺序执行时，每次从主存取出一条指令，PC 内容就增量计数，指向下一条指令的地址。增量值取决于现行指令所占的存储单元数。如果现行指令只占一个存储单元，则PC 内容加1；若现行指令占了两个存储单元，那么PC 内容就要加2。当程序需要转移时，将转移地址送入PC，使PC 指向新的指令地址。因此，当现行指令执行完，PC 中存放的总是后续指令的地址；将该地址送往主存的地址寄存器AR，便可从存储器读取下一条指令。

5．地址寄存器

CPU 访问存储器，首先要找到需要访问的存储单元，因此设置地址寄存器（AR）来存放被访单元的地址。当需要读取指令时，CPU 先将PC 的内容送入AR，再由AR将指令地址送往存储器。当需要读取或存放数据时，也要先将该数据的有效地址送入AR，再对存储器进行读写操作。

6．标志寄存器

标志寄存器F是用来记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式的，标志位则用来反映当前程序的执行状态。一条指令执行后，CPU 根据执行结果设置相应特征位，作为决定程序流向的判断依据。例如，当特征位的状态与转移条件符合时，程序就进行转移；如果不符合，则顺序执行。在后面将要介绍的较复杂模型计算机设计中设置了两个标志位：进位Fc、零位Fz。

7.微指令产生部件

实现信息传送要靠微命令的控制，因此在CPU 中设置微命令产生部

件，根据控制信息产生微命令序列，对指令功能所要求的数据传送进行控

制，同时在数据传送至运算部件时控制完成运算处理。

微命令产生部件可由若干组合逻辑电路组成，也可以由专门的存储逻辑组成。产生微命令的方式可分为组合逻辑控制方式和微程序控制方式两种。在本章所介绍的8 位模型CPU 设计中，采用微程序控制方式通过微程序控制器和微指令

存储器产生微命令，因此此CPU 属于复杂指令CISC CPU。

8.时序系统

计算机的工作常常是分步执行的，那么就需要有一种时间信号作为

分步执行的标志，如周期、节拍等。节拍是执行一个单步操作所需的时

间，一个周期可能包含几个节拍。这样，一条指令在执行过程中，根据

不同的周期、节拍信号，就能在不同的时间发出不同的微命令完成不同

的微操作。周期、节拍、脉冲等信号称为时序信号，产生时序信号的部

件称为时序发生器或时序系统，它由一组触发器组成。由石英晶体振荡

器输出频率稳定的脉冲信号，也称时钟脉冲，为CPU 提供时钟基准。时

钟脉冲经过一系列计数分频，产生所需的节拍（时钟周期）信号。时钟

脉冲与周期、节拍信号和有关控制条件相结合，可以产生所需的各种工

作脉冲。

2.2模型机指令系统

一条指令必须包含下列信息：

操作码、操作数的地址、操作结果的存储地址、下一条指令的地址。

指令的基本格式

op-code 为操作码，rs为源寄存器，rd 为目的寄存器

寄存器操作数

模型机指令系统，及其指令编码形式

设模型机指令系统中包含有五条基本指令，分为算术运算指令、存取指令和控制转移指令等三种类型。五条机器指令分别是：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。IN 为单字长（8 位二进制），其余为双字长指令，XX H 为addr对应的十六进制地址码。

2.3 拟定指令流程和微命令序列（计算机设计中最关键步骤）

1．微程序控制概念

（1）微命令和微操作

一条机器指令可以分解成一个微操作序列，这些微操作是计算机中最基