CPU寄存器的设计
《计算机体系结构设计》第04章 中央处理器体系结构设计
F＝A-B(SUB)，
F＝A+1(INC)，
F＝A-1(DEC)，F＝A
求指令SUB X(R0), (R7)+
的指令流程和控制信号。
ID
F→IR IR
F→PC PC
F→R0
R0
F→R1 R1
…
F→R7 R7
B IR→B PC→B R0→B R1→B
R7→B
F→MDR F→TEMP
F→Y
MDR TEMP
10 MUX
DMRead DMWrite Branch DMtoReg
RegDst RegWrite
ALUSrcA
4
ADD
PC
=0?
IR[rs]
&
RR1
10 MUX
IA Ins
IR[rt]
IR[rd] IM
10 MUX
RR2 RD1
Reg WR
RD2 WD
ALU
DA RD
01 MUX
2 10 MUX
PSR)，用来存放各类控制信息，如：方向标志(DF)、允许中 断(IF)、跟踪标志或陷井标志(TF)等，这些标志位通常用1位 触发器来保存。在很多计算机上，PSW还能保存各种条件码 CCR，如AF、CF、OF、PF、SF、ZF等。在有些机器中PSW 被称为标志寄存器(Flag Register，FR)。
（1）运算器 运算器（Arithmetic Unit，AU）是数据加工处理部件，
其核心部件是算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit， ALU）。 （2）控制器
控制器（Control unit，CU）是控制部件，完成对整个 计算机系统操作的协调与指挥。 （3）寄存器
CPU的结构和功能解析
CPU的结构和功能解析CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机中的核心部件，负责执行指令、进行算术和逻辑运算以及控制外部设备的操作。
CPU的结构和功能是计算机硬件设计中的重要内容。
本文将对CPU的结构和功能进行解析。
一、CPU的结构1. 控制器（Control Unit）：控制器是CPU的指挥中心，负责协调和控制整个计算机系统的运行。
它从内存中读取指令并对其进行解释与执行。
控制器由指令寄存器（Instruction Register，IR）、程序计数器（Program Counter，PC）和指令译码器（Instruction Decoder）等构成。
-指令寄存器（IR）：用于存储当前从内存中读取的指令。
-程序计数器（PC）：存储下一条需要执行的指令在内存中的地址。
- 指令译码器（Instruction Decoder）：对指令进行解码，将其转化为相应的操作信号。
2.运算器（ALU）：运算器是负责执行算术和逻辑运算的部件。
它可以进行整数运算、浮点数运算、位操作等。
运算器通常包含多个加法器、乘法器和逻辑门电路，以实现不同的运算功能。
3. 寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储器，用于存储指令、数据、地址等信息。
寄存器分为通用寄存器、程序计数器和状态寄存器等多种类型。
-通用寄存器：用于存储临时数据和计算结果，供运算器使用。
-程序计数器：存储下一条需要执行的指令的地址。
- 状态寄存器：用于存储CPU的运行状态，如零标志（Zero Flag）、进位标志（Carry Flag）等。
二、CPU的功能CPU的功能主要包括指令执行、运算处理、控制管理和数据存取等方面。
1.指令执行：CPU从内存中读取指令，进行解码并执行相应的操作。
不同指令的功能包括数据传输、算术运算、逻辑运算、条件分支、循环等。
2.运算处理：CPU通过运算器进行各种算术和逻辑运算。
算术运算包括加法、减法、乘法和除法等操作，逻辑运算包括与、或、非、异或等操作。
计算机组成原理实验CPU设计与指令集仿真
计算机组成原理实验CPU设计与指令集仿真在计算机组成原理实验中，CPU的设计和指令集仿真是非常重要的一部分。
本文将以一种适合科技类文章的格式，详细介绍CPU设计和指令集仿真的过程和原理。
一、CPU设计CPU设计是计算机组成原理的核心内容之一。
在CPU设计中，需要考虑的主要有以下几个方面：1.1 指令集架构指令集架构是CPU设计的基础。
它定义了CPU能够执行的指令集合，包括指令的格式、指令的操作码以及指令的操作类型等。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）等。
1.2 数据通路设计数据通路是指CPU中用于执行指令的路径。
它包括寄存器、算术逻辑单元（ALU）、控制单元等组成部分。
在数据通路设计中，需要考虑指令的执行顺序、数据的传输等关键问题。
1.3 控制单元设计控制单元是CPU中负责控制指令执行的部分。
它根据指令的操作码和操作数，产生控制信号，控制数据通路的工作。
在控制单元设计中，需要充分考虑指令的并行性、误差检测等因素。
1.4 存储器设计存储器是CPU与外部设备交换数据的接口。
在CPU设计中，需要选择适合的存储器结构，包括寄存器、缓存、主存等。
存储器的设计不仅关系到CPU的性能，还关系到整个计算机系统的性能。
二、指令集仿真指令集仿真是一种通过软件模拟CPU的工作过程，实现对指令集的测试和验证的方法。
指令集仿真主要分为以下几个步骤：2.1 定义指令集首先，需要根据CPU设计的指令集架构，定义仿真所需的指令集。
包括指令的格式、操作码和操作数等。
2.2 编写仿真程序根据指令集的定义，编写相应的仿真程序。
仿真程序可以使用高级编程语言如C、C++等编写，通过逐条解释CPU的指令，模拟CPU的执行过程。
2.3 仿真环境搭建为了能够进行指令集仿真，需要搭建相应的仿真环境。
包括模拟CPU的数据通路、控制单元以及存储器等组成部分。
可以使用软件仿真工具如ModelSim等来帮助搭建仿真环境。
2.4 指令集测试和验证在搭建好仿真环境后，可以对指令集进行测试和验证。
MIPS指令多周期CPU设计
MIPS指令多周期CPU设计MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的指令集架构，也是一种常用的计算机体系结构之一、在本文中，将介绍如何设计一个多周期CPU来执行MIPS指令。
多周期CPU是一种在各个阶段使用不同时钟周期数的中央处理器设计。
其核心思想是将指令处理过程划分为若干个阶段，每个阶段由单独的硬件电路来执行。
通过这种方式，可以提高CPU的效率和性能。
下面将逐步介绍多周期CPU的设计步骤：1. 指令存储器（Instruction Memory）：首先，需要设计一个指令存储器，用于存储MIPS指令。
指令存储器通常使用随机存取存储器（Random Access Memory, RAM），可以通过指令地址来读取指令。
2. 指令解码（Instruction Decode）：在该阶段中，需要将从指令存储器中读取的指令进行解码。
解码的目的是确定指令的类型以及操作数的位置。
根据指令的类型，还需要通过控制信号来决定执行的下一步操作。
3. 寄存器读取（Register Read）：在这个阶段中，需要从寄存器文件中读取操作数。
MIPS架构中有32个通用寄存器，它们存储着变量和数据。
4. 执行（Execute）：在这个阶段中，需要执行指令的操作。
具体的操作取决于指令的类型。
例如，加法操作需要将操作数相加，存储结果。
5. 存储器访问（Memory Access）：在这个阶段中，需要进行内存访问操作。
MIPS架构中，可以使用lw（load word）指令将数据从内存中加载到寄存器中，使用sw（store word）指令将数据从寄存器中存储到内存中。
6. 寄存器写入（Register Write）：在这个阶段中，需要将执行阶段的结果写入到寄存器文件中。
以上是多周期CPU的基本设计流程。
在设计过程中，还需要考虑异常处理和分支跳转等特殊情况。
CPU寄存器详解
CPU寄存器详解组件计算机是一种数据处理设备，它由CPU和内存以及外部设备组成。
CPU 负责数据处理，内存负责存储，外部设备负责数据的输入和输出，它们之间通过总线连接在一起。
CPU内部主要由控制器、运算器和寄存器组成。
控制器负责指令的读取和调度，运算器负责指令的运算执行，寄存器负责数据的存储，它们之间通过CPU内的总线连接在一起。
每个外部设备（例如：显示器、硬盘、键盘、鼠标、网卡等等）则是由外设控制器、I/O端口、和输入输出硬件组成。
外设控制器负责设备的控制和操作，I/O端口负责数据的临时存储，输入输出硬件则负责具体的输入输出，它们间也通过外部设备内的总线连接在一起。
组件化的硬件体系上面的计算机系统结构图中我们可以看出硬件系统的这种组件化的设计思路总是贯彻到各个环节。
在这套设计思想（冯。
诺依曼体系架构）里面，总是有一部分负责控制、一部分负责执行、一部分则负责存储，它之间进行交互以及接口通信则总是通过总线来完成。
这种设计思路一样的可以应用在我们的软件设计体系里面：组件和组件之间通信通过事件的方式来进行解耦处理，而一个组件内部同样也需要明确好各个部分的职责（一部分负责调度控制、一部分负责执行实现、一部分负责数据存储）。
缓存一个完整的CPU系统里面有控制部件、运算部件还有寄存器部件。
中寄存器部件的作用就是进行数据的临时存储。
既然有内存作为数据存储的场所，那么为什么还要有寄存器呢？答案就是速度和成本。
我们知道CPU的运算速度是非常快的，如果把运算的数据都放到内存里面的话那将大大降低整个系统的性能。
解决的办法是在CPU内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。
我们称这一小块临时存储区域为寄存器。
因为寄存器和运算器以及控制器是非常紧密的联系在一起的，它们的频率一致，所以运算时就不会因为数据的来回传输以及各设备之间的频率差异导致系统性能的整体下降。
CPU实验报告范文
CPU实验报告范文一、实验目的本次实验的目的是设计和实现一个简单的中央处理器（CPU），通过实践掌握CPU的基本工作原理和实现方法。
二、实验原理1.CPU的基本概念中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行计算机指令和控制计算机的操作。
它由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责执行算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法等。
控制器负责指挥CPU的工作，通过控制总线实现对内存和其他外部设备的访问。
寄存器是CPU内部的存储器，用于暂时存放指令、数据和中间结果。
2.CPU的实现方法CPU的实现采用组合逻辑电路和时序逻辑电路相结合的方法。
组合逻辑电路是由逻辑门构成的电路，它的输入只依赖于当前时刻的输入信号，输出也只与当前时刻的输入信号有关。
而时序逻辑电路则包含存储元件，其输出不仅与当前时刻的输入信号有关，还与之前的输入信号有关。
CPU的实现过程主要包括以下步骤：（1）设计指令集：确定CPU支持的指令集，包括指令的格式和操作码。
（2）设计控制器：根据指令集设计控制器，确定各个指令的执行过程和控制信号。
（3）设计运算器：根据指令集设计运算器，确定支持的算术和逻辑运算。
（4）设计寄存器：确定需要的寄存器数量和位数，设计寄存器的输入输出和工作方式。
3.实验环境和工具本次实验使用的环境和工具如下：（1）硬件环境：计算机、开发板、示波器等。
（2）软件环境：Win10操作系统、Vivado开发工具等。
三、实验步骤1.设计指令集根据实验要求，我们设计了一个简单的指令集，包括加法、减法、逻辑与、逻辑或和移位指令。
每个指令有特定的操作码和操作数。
2.设计控制器根据指令集设计了一个控制器。
控制器根据指令的操作码产生相应的控制信号，控制CPU内部寄存器、运算器和总线的操作。
3.设计运算器根据指令集设计了一个运算器。
运算器包括加法器、减法器、与门和或门等。
它通过输入的操作数和控制信号完成相应的运算操作。
4.设计寄存器根据实验需求确定了所需的寄存器数量和位数。
计算机组成原理CPU设计实验报告
计算机组成原理CPU设计实验报告课程设计题目:16位CPU设计学院: 信息学院班级:电子A班学号:1115102015姓名:方茹1目录1 实验方法 ..................................................................... . (4)2 总体说明 ..................................................................... ................................................. 5 2.1指令系统: .................................................................... .......................... 5 2.1.1指令格式分类(按指令字长和操作数不同): ...................................................... 5 2.1.2具体指令汇总表: .................................................................... .......................... 6 2.1.3相关指令流程图: .................................................................... .......................... 6 2.1.4指令数据通路的构建: .................................................................... ................... 8 2.1.5指令的分组及节拍: .................................................................... ..................... 12 2.1.6指令执行状态图:(见下页)..................................................................... ........... 13 2.1.7具体微指令: .................................................................... ............................... 13 2.2 系统整体介绍 ..................................................................... .................. 16 2.2.1系统基本模块划分 ..................................................................... ....................... 16 2.2.2总体结构图:(见下页)..................................................................... (17)3 CPU的控制逻辑与具体数据通道设计 ..................................................................... ......18 3.1取指令逻辑的设计 ..................................................................... .. (19)3.1.1指令地址的保存 ..................................................................... (19)3.1.2指令存储器 ..................................................................... .................................. 20 3.1.3下一条指令地址的计算 ..................................................................... ................ 20 3.2指令译码逻辑的设计...................................................................... ...................... 21 3.3指令执行逻辑的设计...................................................................... ...................... 22 3.4存储器访问逻辑的设计 ..................................................................... ................... 23 3.5结果写回逻辑的设计...................................................................... ...................... 24 3.6单周期CPU的总成...................................................................... (25)4各部分说明 ..................................................................... .............................................26 4.1ALU .................................................................................................................... 26 4.2数据选择器BUS_MUX ................................................................ ........................ 28 4.3器件T1 ..................................................................... .......................................... 30 4.4标志寄存器FLAG_REG ............................................................... ........................ 31 4.5T2: .................................................................... ................................................ 33 4.6程序计数器PC ..................................................................... ............................... 33 4.7地址寄存器AR和指令寄存器IR: .................................................................... .. 34 4.8寄存器、寄存器组和寄存器的选择.......................................................................36 4.9一位控制信号/WR .................................................................... ........................... 37 4.10 节拍发生器 ..................................................................... .................................. 37 4.11控制逻辑 ..................................................................... ...................................... 39 4.12T3...................................................................... ................................................ 42 4.13REG_OUT ......................................................................................................... 43 4.14存储器 ..................................................................... .......................................... 44 4.15总线选择器 ..................................................................... .. (45)24.16REG_TEST ............................................................... .. (46)5附录: .................................................................... .. (47)附录A:组员分工: .................................................................... .. (47)附录B:组员设计总结: .................................................................... . (47)31 实验方法实验要完成的工作主要包括:指令系统的设计，FPGA-CPU的整体结构设计及其细化，逻辑设计的具体实现(VHDL语言程序的编写)，软件模拟，以及硬件调试。
CPU基本组成模型(寄存器组成
3-1 运算器
并行进位：各级进位信号同时形成，增加硬件逻辑线路，有效地减少 进位延迟时间。（同时进位） （见P61 图3-3）以4位加法为例 C1=G0+P0C0 C2=G1+P1C1 = G1 +P1G0 +P1P0C0 C3=G2+P2C2 =。。。。。 C4=G3+P3C3 =。。。。。 通过上式可以发现Ci可同时形成。
3-2
运算方法
溢出的判断
运算结果为正，且大于所能表达的最大正数，称为正溢出； 运算结果为负，且小于所能表达的最小负数，称为负溢出； 溢出判断方法： P66 – 单符号位判断 溢出=An Bn Sn+ AnBnSn – 最高有效位的进位判断 P67 – 变形补码（双符号位） » 00为正，11为负（运算时扩充） » 结果01正溢出，10负溢出（判断）
例 P67 变形补码 请同学们练习
P111
第3题
第4题
（2）
（2）
3-2
移位
运算方法
逻辑移位、循环移位和算术移位； 逻辑移位 无数值意义的二进制码，左移时低位补0，右移时高位 补0； 循环移位 闭合移位环路 算术移位 带符号数的移位，左移一位相当于乘2，右移一位相当 于除2；
并行加法器的进位
并行加法器：N位同时进行，由进位链实现进位信号Ci的传递。 设：A=An-1An-2…Ai..A1A0 B=Bn-1Bn-2…Bi..B1B0
则：Ci+1= AiBi+(Ai
+ Bi) Ci
令： Gi= AiBi Pi= Ai + Bi
于是： Ci+1= Gi+ Pi Ci 串行进位：使用进位线将n个全加器串接起来，进位延迟时间较长。节 省器件，成本低。
计算机体系结构实验CPU设计与指令集实现
计算机体系结构实验CPU设计与指令集实现在计算机科学领域中，计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口规范，决定了计算机的性能和功能。
CPU作为计算机体系结构的核心组件之一，负责执行计算机指令和处理数据。
本文将介绍计算机体系结构实验中CPU的设计与指令集的实现。
一、CPU设计CPU设计是计算机体系结构实验的重要内容之一，它包括了处理器的内部结构、寄存器的设计和控制逻辑的实现等多个方面。
1. 内部结构CPU的内部结构一般包括运算器（ALU）、控制器、寄存器组和数据通路等部件。
其中，运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解码指令和控制CPU的操作，寄存器组用于存储临时数据和结果，数据通路则负责将数据在各个部件之间传递。
在CPU设计过程中，需要根据实验要求和设计目标，合理选择这些部件的结构和功能，并进行适当的组合和优化。
2. 寄存器设计寄存器是CPU中用于存储和操作数据的重要部件，常见的寄存器有通用寄存器、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等。
在CPU设计中，需要确定寄存器的位数和数量，并根据需求设计合适的读写接口。
同时，寄存器的位宽和数量也决定了CPU的数据处理能力和存储容量。
3. 控制逻辑实现控制逻辑是CPU中决定指令执行流程和控制信号传递的关键部分。
它通过解码指令，生成相应的控制信号，控制数据通路的运行和寄存器的读写。
在CPU设计中，需要实现与指令集对应的控制逻辑，并确保指令的执行顺序和操作正确无误。
二、指令集实现指令集是计算机体系结构中的重要组成部分，它决定了计算机的操作方式和可执行的指令。
在计算机体系结构实验中，实现一个类似于RISC指令集的简化指令集是常见的任务。
1. 指令格式指令格式是指令在计算机中的二进制表示形式，通常由操作码（Opcode）、寄存器编号和立即数等字段组成。
在指令集实现中，需要确定指令格式的结构和位数，并考虑操作码和操作数的编码方式，以便正确解码和执行指令。
2. 指令执行指令执行是指计算机按照指令进行相应的操作，包括算术运算、逻辑运算、存储器读写等。
16位实验CPU设计要求和方案
C、 当 IR1 = 1 时，本指令影响标志位 Z。 D、当 IR2 = 1 时，本指令影响标志位 C。 NOP 指令实际上是一条“MOV R0，R0”指令，只是不改变目的寄存器的内容。
out_SR out_DR
c_out z_out
memory_unit
reset
clk
wr
we
t3
ob
ob
Mem_addr
ar
ar
Mem_Write Sel_memdata
data_read
SR_data result
DR_data_out
Instru_fetch
reset
reset
t1
clk
clk
利用设计好的指令系统，编写汇编代码，以便测试所有设计的指令。设计好测试用的汇 编代码后，然后利用 MaxPluss II 软件附带的 DebugController 编写汇编编译规则。接着，利 用 DebugController 软件把汇编编译之后的二进制代码下载到 TEC‐CA 实验平台上，对设计好 的 16 位 CPU 进行测试。
NOT DR 指令编码：
0110 DR SR 0000 0011 功能：DR ← not DR，影响 Z 标志。PC ← PC + 1。
（3）
数据传送指令 MOV DR，SR
指令编码： 0111 DR SR 0000 0001
功能：DR ← SR，不影响标志位。PC ← PC + 1。
单总线CPU设计(定长指令周期3级时序)
单总线CPU设计(定长指令周期3级时序)通过本文档，读者将了解到单总线CPU设计的原理和优势。
我们将深入讨论定长指令周期3级时序的设计方案，介绍每个时序阶段的功能和操作流程。
读者还将了解到如何实现基本的指令集和数据传输机制，以及如何优化CPU性能和响应速度。
无论您是初学者还是有经验的工程师，阅读本文档都会对您的CPU设计能力和理解有所帮助。
希望本文档能为您提供有价值的信息和指导，让您在单总线CPU设计领域取得更多成功！本文档旨在概述单总线CPU的体系结构，包括寄存器、算术逻辑单元等。
本文详细描述了单总线CPU的定长指令周期3级时序设计。
单总线CPU指的是只有一个总线用于数据和指令传输的中央处理器。
第一级时序设计第一级时序设计主要涉及指令的取指和解码阶段。
在每个指令周期中，CPU首先从存储器中取得指令，并将其送入指令寄存器中。
接着，CPU对指令进行解码，确定指令所对应的操作并为执行做好准备。
第二级时序设计第二级时序设计包括指令的执行阶段。
在每个指令周期中，CPU根据第一级的解码结果进行相应操作，比如进行算术运算、逻辑运算或者数据传输。
执行阶段的时序设计需要保证每个操作可以按照正确的顺序进行。
第三级时序设计第三级时序设计涉及指令的写回阶段。
在每个指令周期中，CPU将执行结果写回到寄存器或存储器中。
这个阶段的时序设计需要保证写回操作不会影响到其他指令的执行。
总的来说，单总线CPU的定长指令周期3级时序设计包括指令取指与解码、指令执行和指令写回三个阶段。
每个阶段的时序设计都需要注意保证操作按照正确的顺序进行，以确保CPU的正常运行。
总的来说，单总线CPU的定长指令周期3级时序设计包括指令取指与解码、指令执行和指令写回三个阶段。
每个阶段的时序设计都需要注意保证操作按照正确的顺序进行，以确保CPU的正常运行。
CPU与简单模型机设计实验
CPU与简单模型机设计实验一、引言CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机的重要组件之一，是计算机执行指令和进行数据处理的核心部件。
CPU的设计和优化是计算机科学的重要研究方向之一、在这个实验中，我们将通过设计一个简单的模型机来了解和学习CPU的基本原理和功能。
二、实验目的1.学习和了解CPU的基本构成和原理。
2.掌握基本的CPU设计和优化方法。
3.熟悉并加深对计算机体系结构的理解。
三、实验材料和设备1.实验平台：个人电脑或计算机模拟软件。
2. 设计工具：Verilog HDL（硬件描述语言）。
四、实验内容和步骤1.确定模型机的指令集和寄存器组。
-指令集是指计算机所能执行的所有指令的集合。
可以选择一些常用的指令来构建指令集。
-寄存器组是CPU内部用于存储和操作数据的一组寄存器。
可以选择一些通用寄存器和专用寄存器来构建寄存器组。
2.设计模型机的指令执行流程。
-指令执行流程是指CPU执行每个指令时所经过的步骤和操作。
可以使用流程图或状态转移图来描述指令执行流程。
3.设计并实现CPU的数据通路。
-数据通路是指CPU内部的数据传输路径和控制信号。
可以使用各种逻辑门和触发器来实现数据通路。
4.设计并实现模型机的控制部件。
-控制部件是CPU内部用于控制指令执行流程的部件。
可以使用有限状态机或控制存储器等方法来实现控制部件。
5.编写并调试模型机的控制程序。
-控制程序是指一段能够实现特定功能的指令序列。
可以使用汇编语言来编写和调试控制程序。
6.运行和测试设计的模型机。
-在模型机上执行一些简单的指令，观察和分析其执行结果，进行性能测试和优化。
五、实验结果与分析通过完成以上实验内容，我们将得到一个简单的模型机，并能够执行一些简单的指令。
我们可以通过观察和分析指令的执行结果，了解和学习CPU的基本原理和功能。
此外，我们还可以根据实际情况对模型机进行性能测试和优化，以提升其执行效率和性能。
微机原理2-1：8088CPU内部结构、寄存器组、存储器组织
栈段和附加段。
段寄存器即是存放各个逻辑段段首地址的寄 存器。
23
存储器的分段管理
8088有20条地址线， 20＝1MB， 最大可寻址空间为 2 可寻址的地址范围为 00000H～FFFFFH 该地址称物理地址 硬件用 20位的物理地址来对存储单元进行寻 址
24
存储器的分段管理
由于 8088 中的地址寄存器都是 16 位的，用 户不能直接使用20位的物理地址，编程时需 要使用逻辑地址来寻址存储单元。 物理地址 14700H 逻辑地址由两个16位数构成，其形式为： 逻辑地址 1460H:100H 段的起始地址 ： 段内的偏移地址 （16位段地址） ：（ 16位偏移量）
分隔符
7
②指针和变址寄存器 共BP、SP、SI、DI四个 BP：基址指针寄存器Base Pointer ，默认表示
堆栈段基地址；
SP：堆栈指针寄存器Stack Pointer，指示栈顶 SI：源变址寄存器Source Index DI：目的变址寄存器Destination Index
8
2、标志寄存器 标志寄存器（ FR ）是 一个 十六位的 寄存器，但只利用了其中的9位：六个条 件标志和三个控制标志。
CLI 指令复位中断标志：IF＝0
STI 指令置位中断标志：IF＝1
20
陷阱标志TF（Trap Flag）
用于控制处理器是否进入单步执行方式： 设置TF＝0，处理器正常工作； 设置 TF＝1，处理器每执行一条指令就中断一次， 中断编号为 1 （称单步中断）， TF 也被称为单 步标志。 单步执行和单步调试
注意： PF 标志仅反映最低 8 位中“ 1 ”的个数
处理器(CPU)设计
第5章 处理器（CPU）设计5.1 CPU的结构5.1.1 CPU的功能CPU：中央处理器指令控制—— 程序的顺序控制操作控制—— 指令的操作信号时间控制—— 操作信号的时序数据加工—— 数据处理，CPU的根本任务 中断处理 —— 相应中断（异常）其它处理 —— 相应DMA、RESET等5.1.2 构成CPU的主要部件1.CPU的基本组成�控制器：协调和处理计算机系统的操作 ---- 控制部件�运算器：数据处理---- 执行部件�通用寄存器组�（cache高速缓存、内部总线、总线接口、中断系统、浮点运算器……）2.CPU中的主要寄存器�DR 数据缓冲寄存器�IR 指令寄存器�PC程序计数器�AR 地址寄存器�AC 累加寄存器（AX、BX、CX、DX、…）�PSW状态寄存器3.CPU的数据通路•概念数据通路是指数据在CPU各功能部件之间传送的路径。
�描述信息从什么地方出发，中间经过什么部件，最后传送到哪个部件�实现CPU内部各功能部件间（运算器、寄存器、控制器等）的数据传递•基本结构�总线结构�专用数据通路5.3 CPU执行指令的过程5.3.1 指令时序1、指令执行的基本过程•取指、执行•取指、取操作数、执行•取指、取操作数、执行、写结果2、时序系统�时序系统的作用将各种控制信号严格定时，在时间上相互配合完成某一功能。
�时序信号通常划分为几级指令周期机器周期（CPU周期、总线周期）时钟周期（节拍周期）[ 时钟脉冲、节拍脉冲 ]3、时序控制方式�同步控制指令执行或指令中每个控制信号都由事先确定的统一的时序信号进行统一控制。
①定长的机器周期，定长的指令周期②定长的机器周期，变长的指令周期③变长的机器周期，变长的指令周期④折中方案� 异步控制当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发回“回答”信号，再开始新的操作。
�没有统一的时钟对信号进行同步�每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成� 联合控制 同步控制和异步控制相结合的方式。
计算机组成原理课程设计（中央处理器--微程序控制器设计）
“计算机组成原理”课程设计报告微程序控制器的设计一、设计思路按照要求设计指令系统，该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等五种寻址方式。
从而可以想到如下指令： （１）24位控制位分别介绍如下：位控制位分别介绍如下： XRD XRD ：： 外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输出此信号，从指定外设读数据。
定外设读数据。
EMWR EMWR：： 程序存储器EM 写信号。
写信号。
EMRD EMRD：： 程序存储器EM 读信号。
读信号。
PCOE PCOE：： 将程序计数器PC 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
EMEN EMEN：： 将程序存储器EM 与数据总线DBUS 接通，由EMWR 和EMRD 决定是将DBUS 数据写到EM 中，还是从EM 读出数据送到DBUS DBUS。
IREN IREN：： 将程序存储器EM 读出的数据打入指令寄存器IR 和微指令计数器uPC uPC。
EINT EINT：： 中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP ELP：： PC 打入允许，与指令寄存器的IR3IR3、、IR2位结合，控制程序跳转。
转。
MAREN MAREN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据打入地址寄存器MAR MAR。
MAROE MAROE：将地址寄存器：将地址寄存器MAR 的值送到地址总线ABUS 上。
上。
OUTEN OUTEN：将数据总线：将数据总线DBUS 上数据送到输出端口寄存器OUT 里。
里。
STEN STEN：： 将数据总线DBUS 上数据存入堆栈寄存器ST 中。
中。
RRD RRD：： 读寄存器组读寄存器组R0-R3R0-R3，寄存器，寄存器R?R?的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
的选择由指令的最低两位决定。
《计算机组成原理》6-CPU设计
6.1.2 CPU组成——CPU内部数据通路
CPU 运算器
寄存器
中断
系统
CU
时序系统
数
地
控
据
址
制
线
线
线
在确定一台计算机的总体结构的时候，主要考 虑这样以下问题：
设置哪些部件； 各部件间如何传递信息（即数据通路）； 主机与外围设备之间如何实现信息传送； 如何形成微操作命令序列。 前三个问题于机器指令系统设计有密切的关系； 后一个问题涉及到设计策略，其中，数据通路结构 是总体结构设计的核心。
但这种寄存器结构使所需单元器件与连接线增多， 不利于集成度的提高。
6.1.2 CPU组成——CPU典型内部数据通路
M
移位器
D R
ALU
RN
...
锁存器
锁存器
R2
M A
R1
R
IR
PC
状
CU
…
态 信
时钟
…
息
控制信号
3）单组内总线、集成寄存器结构。为了提高寄存 器的集成度，常将寄存器组制作成为小型半导体存储 器结构，一个存储单元就相当于一个寄存器。
6.1.2 CPU组成——CPU典型内部数据通路
2）单组内总线、分立寄存器结构。它的特点是 寄存器分别独立设置，采用一组单向的数据总线， 以ALU为内部数据传送通路的中枢。由于各寄存器在 物理上彼此分立，它们的输出端均与ALU输入端的多 路选择器相连（MAR除外因为它的特殊作用使得它 只能接收地址，传送给主存），多路选择器可以采 用与或逻辑，在同一时刻最多可以选择两路输入， 送入ALU进行相应运算处理。寄存器的数据输入来自 CPU内部总线，由于寄存器彼此分离，只要发出相 应的同步打入脉冲，即可使内总线同时将数据打入 一个或多个寄存器。
简单CPU系统设计及实现
简单CPU系统设计及实现首先，我们需要确定CPU系统的架构。
在本例中，我们将采用单周期处理器设计，该设计非常简单且易于实现。
在该架构中，每个指令在一个时钟周期内完成执行。
接下来，我们需要确定指令集的构成。
在本例中，我们将使用基本的指令集，包括算术操作指令（如加法、减法、乘法、除法）、逻辑操作指令（如与、或、异或）和数据传输指令（如存储、加载和移动数据）。
在开始设计CPU系统之前，我们需要确定CPU寄存器的数量和宽度。
在本例中，我们将使用8个寄存器，每个寄存器的宽度为8位。
这些寄存器将分别用于存储通用数据、存储器地址和指令。
现在我们可以开始设计CPU的数据路径。
数据路径是指数据在CPU内部通过的路径。
在单周期处理器中，数据路径包括指令存储器、程序计数器、寄存器文件、算术逻辑单元（ALU）和存储器。
指令存储器用于存储程序的指令，可以通过程序计数器（PC）来访问。
PC是一个寄存器，它存储下一条指令的地址。
每个时钟周期，PC增加1，以指向下一条指令。
寄存器文件用于存储CPU的寄存器，可以通过寄存器地址来访问。
寄存器文件包括8个通用寄存器。
ALU用于执行算术和逻辑运算。
它从寄存器文件中读取操作数，并将结果写回寄存器文件。
存储器用于存储数据，包括程序的指令和变量。
存储器有两个口，一个用于读取操作，一个用于写入操作。
设计数据路径后，我们需要设计控制单元。
控制单元控制数据路径中的信号流动。
在单周期处理器中，控制单元通常由指令解码器和控制逻辑组成。
指令解码器将二进制指令解码为对数据路径的控制信号。
控制逻辑基于解码的指令生成控制信号。
在实现CPU系统之前，我们需要设计指令的编码方式。
在本例中，我们将使用定长编码，每个指令都有相同的长度，例如8位。
现在我们可以开始实现CPU系统。
我们可以使用硬件描述语言（HDL）来描述和实现CPU系统的各个部分。
常用的HDL包括VHDL和Verilog。
我们可以使用仿真工具来验证CPU系统的功能。
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module xianshi(input [3:0]xs,output reg [6:0]l); always @ (xs)
begin
case(xs)
4'b0000: l<=7'b111_1110;
4'b0001: l<=7'b011_0000;
4'b0010: l<=7'b110_1101;
4'b0011: l<=7'b111_1001;
4'b0100: l<=7'b011_0011;
4'b0101: l<=7'b101_1011;
4'b0110: l<=7'b101_1111;
4'b0111: l<=7'b111_0000;
4'b1000: l<=7'b111_1111;
4'b1001: l<=7'b111_1011;
4'b1010: l<=7'b111_0111;
4'b1011: l<=7'b001_1111;
4'b1100: l<=7'b100_1110;
4'b1101: l<=7'b011_1101;
4'b1110: l<=7'b100_1111;
4'b1111: l<=7'b100_0111;
default: l<=7'b000_0000;
endcase
end
endmodule
module show(clk,L3,L2,L1,L0,cout,dig);
input clk;
input[6:0] L3,L2,L1,L0;
output reg [6:0]cout;
output reg [2:0]dig;
reg [9:0]s;
initial s<=0;
always @(negedge clk)
begin
if(s<=39)
s = s+1;
else
s = 0;
end
always @(s)
begin
if(s<=9)
begin
dig = 3'b000;
cout = L3;
end
else if(s<=19)
begin
dig = 3'b001;
cout = L2;
end
else if(s<=29)
begin
dig = 3'b010;
cout = L1;
end
else if(s<=39)
begin
dig = 3'b011;
cout = L0;
end
end
endmodule
module cpu(input clk,input [7:0]D,input [1:0]RA,input Wr,input tongbu, input Rd,input[1:0] M,input reset,output [2:0]dig,output [6:0]cout);
reg[7:0] R0,R1,R2,R3,PC;
reg[7:0] temp;
wire[6:0] L3,L2,L1,L0;
always @(clk)
begin
if(RA == 2'b00&Wr==0&Rd==1) R0 <= D;
if(RA == 2'b00&Wr==1&Rd==0) temp <= R0;
if(RA == 2'b01&Wr==0&Rd==1) R1 <= D;
if(RA == 2'b01&Wr==1&Rd==0) temp <= R1;
if(RA == 2'b10&Wr==0&Rd==1) R2 <= D;
if(RA == 2'b10&Wr==1&Rd==0) temp <= R2;
if(RA == 2'b11&Wr==0&Rd==1) R3 <= D;
if(RA == 2'b11&Wr==1&Rd==0) temp <= R3;
end
always @(negedge tongbu)
begin
if(!reset) PC = 0;
else
begin
if(M == 2'b00) PC = D;
if(M == 2'b01) PC = PC + 1;
if(M == 2'b10) PC = PC - 1;
if(M == 2'b11) PC = PC;
end
end
xianshi x1(PC[7:4],L3);
xianshi x2(PC[3:0],L2);
xianshi x3(temp[7:4],L1);
xianshi x4(temp[3:0],L0);
show s1(clk,L3,L2,L1,L0,cout,dig); endmodule。