微型计算机简化结构,基于FPGA的简易微型计算机结构分析与实现

0 引言

通常，人们对微型计算机的工作原理及硬件结构的了解来源于书本知识，深入理解掌握其功能特点比较困难，要自己亲手去做一个类似功能的微型计算机更是不可能。随着可编程逻辑器件的广泛应用，为数字系统的设计带来了极大的灵活性，用户可以利用FPGA(现场可编程门阵列)来开发出一个精简指令的CPU，同时对微型计算机的原理及结构进行充分研究，便于将来进行相关ASIC(专用集成电路)设计，也可用于计算机原理教学之中。

1 微型计算机结构及原理

以一个简化的微型计算机为例，图1是微型计算机的简化结构。

图1 微型计算机的简化结构

1.1 微型计算机结构

微型计算机由PC(程序计数器)、IR(指令寄存器)、CON(控制部件)、MAR(存储地址寄存器)、ROM(只读存储器)、A(累加器)、ALU(算术逻辑部件)、B(寄存器)、OUTREG(输出寄存器)、DLEDDIS(数码管动态扫描模块)及DECL7S(显示模块)等组成。这里仅介绍有所改变或不同的模块。

图1中：L为数据载入控制信号，E为三态输出选通信号，clk为时钟信号，clr为清零信号，Cp为控制PC加1信号，S0-S3为控制ALU进行加减或逻辑运算的选择信号。所有的控制、时钟及清零信号由CON模块给出，而CON模块由外部时钟clkin及清零信号rst控制。PC可以置数，即可执行跳转指令。OUTREG可清零，便于多次调试。DLEDDIS及DECL7S用来把地址及结果在数码管上显示出来。

1.2 微型计算机原理

虽然这台微型机可以实现16条指令，但本文对指令不做扩展，仅以5条指令为例。LDA为将数据装入累加器A(操作码0000)；ADD为进行加法运算(操作码0001)；SUB为进行减法运算(操作码0010)；OUT为输出结果(操作码1110)；HLT为停机(操作码1111)。

在程序和数据装入后，当外部给出时钟信号及清零信号无效时，由CON模块发出信号及控制字，开始取出和执行每条指令。如控制字顺序为ErLrS3S2S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，这里Lr可用于存储器为RAM时做写使能信号。由于采用的是数据总线与地址总线合一的总线结构，一条指令的执行需要6个机器节拍，即前3节拍取指周期与后3节拍执行周期。如执行ADD 0AH，机器码为1AH(0001 1001)。第1节拍将PC内容送入MAR，控制字为“0000 0001 0000 0010”，即Ep与Lm为1；第2节拍将ROM中对应地址单元中的内容送到IR，IR高4位送至CON，控制字为“1000 0000 0000 1000”，即Er与Li为1；第3节拍使PC加1，控制字中Cp为1，其余为0；第4节拍将IR的低4位送至MAR，Ei与Lm为1；第5节拍将ROM中的内容送入累加器A中，Er与La为1；第6节拍为加法运算，Eu与La为1，同时S0-S3选择为加法运算。

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