8位CPU设计与实现

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1、实用文档计算机组成原理论文姓名：某某班级：计科一班学号：文案大全实用文档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

2、(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2.1CPU的系统方案文案大全实用文档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

3、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

4、，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

5、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，CP

6、U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文案

7、大全实用文档设计中，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。

8、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