嵌入式课程-8位CPU的设计

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1、《嵌入式技术》课程设计8位CPU的设计一、设计的任务与要求计算机的核心部件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。1•设计目的(1)CPU的组成部件有哪些？(2)各部件信息如何交换？(3)CPU与外部连接通过什么方式实现？(4)CPU的控制命令是如何形成的？(5)如何用EDA技术设计方法在FPGA上完成模型CPU设计？2•设计原理实验中，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

2、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,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和输岀单元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

3、内部工作情况及运算结果图一8位CPU的结构OUTPUTLED-Bf/R二、单元电路设计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ALUo(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屮，寄存器组由RO、Rl、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

4、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。2.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2o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。3.地

5、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。4.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

6、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0o5.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

7、令存储器产牛微命令，因此此CPU属于复杂指令CISCCPUo8・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屮，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，产牛时序信号的部件称为时序发牛器或时序系统，它由一组触发器组成。由石英晶体振荡器输岀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

8、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。三、指令系统的结构及功能的确定1、指令是计算机执行某