ARM原理及应用课程报告

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1、一、8位CPU体系结构的设计1.CPU的概述计算机的核心部件CPU通常包含运算器和控制器两大部分。组成CPU的基本部件有运算部件，寄存器组，微命令产生部件和时序系统等。这些部件通过CPU内部的总线连接起来，实现它们之间的信息交换。2.CPU运行原理在部件运行过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，并能在微过程控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。该CPU主要由算术逻辑单元ALU，数据暂存寄存器DR1、DR2

2、，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。3.单元电路组成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：a.输入逻辑b.算术/逻辑运算部件ALUc.输出逻辑②寄存器组计算机工作时，C

3、PU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）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）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

4、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

5、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：进位位Fc：运算后如果产生进位，将Fc置为1；否则将Fc清为0。零位Fz：运算结果为零，将Fz置为1，否则将Fz清为0。⑦微命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

6、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CISCCPU。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

7、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。4.指令系统的结构及功能的确定指令是计算机执行某种操作的命令，而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。因此在设计CP