8位CPU的设计.doc

课程报告 设计课题: 基本模型计算机设计与实现 姓 名: 专 业: 学 号: 日 期 2011年4月24日——2011年5月 日 指导教师: 国立华侨大学信息科学与工程学院 目 录 1．设计的任务与要求…………………………………………………………………1……………………………………………………………………1 3.单元电路的设计和元器件的选择…………………………………………………5 3.1 六进制电路……………………………………………………………6 3.2 十进制计数电路的设计………………………………………………………6 3.3 六十进制计数电路的设计……………………………………………………6 3.4双六十进制计数电路的设计…………………………………………………7 3.5时间计数电路的设计…………………………………………………………8 3.6 校正电路的设计………………………………………………………………8 3.7 时钟电路的设计…………………………………………………………8 3.8 整点报时电路的设计…………………………………………………………9 3.9 主要元器件的选择…………………………………………………………10 4.系统电路总图及原理……………………………………………………………10 5.经验体会…………………………………………………………………………10 参考文献……………………………………………………………………………11 附录A：系统电路原理图……………………………………………………………12 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）．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识； （2）．深入学习计算机各类典型指令的执行流程； （3）．学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握LPM_ROM的配置方法。 （4）．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机。 （5）．定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表。 （6）．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。 2.设计原理 在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将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。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。 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）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