机 组 成 原 论 文
姓名：某某 班级：计科一班 学号：
8位CPU勺设计与实现论文
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，采取较简单勺 组成模式，以尽量简洁勺设计帮助读者掌握 CPU 勺基本原理。
此次设计CPU就是为了了解CPL运行的原理，从而完成从指令系统到 CPU勺设计, 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AF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本的， 不可再分解的操作。 在微程序控制的计算机中， 将控制部件向执行部件发出的各种 控制命令叫做微命令， 它是构成控制序列的最小单位。 因此，微命令是控制计算机 各部件完成某个基本微操作的命令。 微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作 过程。微命令有兼容性和互斥性之分。兼容性微命令是指那些可以同时产生，共同完 成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的微命令。 兼容和互斥都是相对的，一个微命令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。 对于单独一个微命令，就无所谓兼容性或互斥性了。
( 2)微指令、微地址 微指令是指控制存储器中的一个单元的内容，即控制字，是若干个微命令 的集合，存放控制字的控制存储器的单元地址就称为微地址。一条微指令通常 至少包含两大部分信息： 微操作码字段，又称操作控制字段，该字段指出微指令执行的微操作； 微地址码字段，又称顺序控制字段，指出下一条要执行的微指令的地址。
( 3)微周期 所谓微周期是指从控存中读取出一条微指令并执行规定的相应操作所需的时间。
( 4)微程序 一系列微指令的有序集合就是微程序。若干条有序的微指令构成了微程序。微程 序可以控制实现一条机器指令的功能。或者说一条机器指令可以分解为特定的微指令 序列。一旦机器的指令系统确定以后，每条指令所对应的微程序被设计好并且存入控 存后，控存总是处于只读的工作状态，所以控存一般采用只读存储器( ROM存放。重 新设计控存内容就能增加、删除、修改机器指令系统。在 FPGA中通常采用嵌入式阵列 块构成的LPM_R0作为控存，存放微指令。 2. 微指令格式
( 1)水平型微指令 一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。 按照操作控制字段的编码方法不同， 水平型微命令又分为三种： 第一种是全水平型 (不 译码法)微指令，第二种是字段译码法水平型微指令，第三种是直接和字段译码相混 合的水平型微指令。
( 2)垂直型微指令 垂直型微指令中设置操作码字段，由微操作码规定微指令的功能。 垂直型微指令的结构类似于机器指令的结构。在一条微指令中只存一二个微命令，每 条微指令的功能比较简单。因此，实现一条机器指令的微程序要比水平型微指令编写 的微程序长得多，它是采用较长的微程序结构去换取较短的微指令结构。 3. 模型机的微指令
uA5- uAO:微程序控制器的微地址输出信号，是下一条要执行的微指令的微地址。 S3、 S2、Sl、SO:由微程序控制器输出的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或 16 种逻辑操作中的某一种操作。
M微程序控制输出的ALU操作方式选择信号。M= 0执行算术操作；M= I执行逻辑操 作。。Cn：微程序控制器输出的进位标志信号，Cn= 0表示ALU运算时最低位有进位； Cn= 1则表示无进位。
WE微程序控制器输出的RAM控制信号。当CE= 0时，如W昌0,为存储器读；如W昌 1,为存储器写。A9、A8:译码后产生CS0 CS1 CS2信号，分别作为SW_B RAM LED 的选通控制信号。
A字段（15、14、13）:译码后产生与总线相连接的各单元的输入选通信号。 B字段（12、11、10）:译码后产生与总线相连接的各单元的输出选通信号。
C字段（9、& 7）:译码后产生分支判断测试信号P （1） ~P（ 4）和LDPC信号
皐宇段 O' D i i r o 1 o 1 1 0 1 1 15 0 0 D —2 13 0 1 a 逸择 Q 1 0 LDHi LDDR1 LDDR2 Lm. LOAD LJjAR 12 U 0 0 11 t) □ 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1字段 10 0 I 0 1 0 I 0 C字- 9 RS-B 0 0 0 0 KJ B ALU-E PC-B 1 T 8 0 0 1 1 0 0 1 / 0 1 0 1 0 1 p⑴ p ( G p <3) P 3 0 LDAR WPC 4. 微指令的执行方式
执行一条微指令的过程类似于机器指令的执行过程。首先，将微指令从控存 CM中取出，称为取微指令。对于垂直型微指令还应包括微操作码的译码时间。 然后，执行微指令所规定的各个微操作。根据微指令的执行方式可分为串行执行 和并行执行两种。
5. 时序安排
由于CPU的工作是分步进行的，而且需要严格定时控制，因此设置时序信号，以便 在不同的时间发出不同的微命令，控制完成不同的操作。组合逻辑控制方式和微程序 控制方式在时序安排上有区别，前者多采用三级时序划分，而后者往往采用两级时序。 6. 拟定指令流程和微命令序列
这是设计中最关键的步骤，这是由于需要根据这一步的设计结果形成最后 的控制逻辑。拟定指令流程是将指令执行过程中的每步传送操作（寄存器之间 的信息传送），用流程图的形式描述出来，拟定微命令序列是用操作时间表列 出每步操作所需的微命令及其产生条件。 7. 形成控制逻辑
设计的最后一步。采用组合逻辑控制方式或采用程序控制方式，有各自不同的设 计方法。在组合逻辑控制方式中，将产生微命令的条件进行综合、化简，形成逻辑式， 从而构成控制器的核心逻辑电路。在微程序控制方式中，则是根据微命令来编写微指 令，组成微程序，从而构成以控制存储器为核心的控制逻辑。 2.4微程序设计 1. IN指令
为了执行输入指令，CPU要做两件事情。首先，由INPUT输入装置的数据开关SV输 入数据送到数据总线上；其次，通过数据总线将输入的数据写入寄存器 R0中。 2. AD指令 R0JR0+（MEM）
存储单元的地址是存放在紧跟在操作码后的字节中的，因此，首先要以该字节的内 容为地址，即将该单元内容送地址寄存器 AR然后，从AR所指向的RAM存储单元取出 操作数送给DR2由于在取指令操作码时，PC已经自动加1,指向下一字节，该地址就 是存放操作数的存储单元的地址。
3. STA旨令
向存储器RAM写数据操作STA以紧跟在操作码后的字节作为存放操作数地
址，将R0中的数据存入该地址单元。首先将紧跟在操作码后的字节的内容送给 地址寄存器 AR。
4. OUT指令
AR^PC PC- PC+1以PC勺内容作为存数据的地址 BUS-RAM AR-BUS AR旨向存放操作数的RA单元 BUS-RAM， DR1-BUS OUT- DR1 5. JMP旨令
AF— PC PC- PC+1 ;以PC勺内容作为取数据的地址 BUS- RAM PC- BUS ;将RAM内容送PC实现程序转移
3. CPU设计及微代码
3.1 原理图模版 3.2取旨令和旨令 1. 取旨令阶段
取旨令阶段完成的任务是将现行旨令从主存中取出来并送至旨令寄存器中。 具体的 操作如下：
（1） 将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器（AR），并送往地址总 线（ AB ）。
位CPU设计与实现
