非常简单CPU设计
FPGA简单CPU设计过程学习
FPGA简单CPU设计过程学习FPGA（Field Programmable Gate Array）是指一种具有可重新配置的硬件功能的集成电路。
它可以通过设置内部的逻辑模块和连线来实现不同的数字电路功能。
在FPGA中设计一个简单的CPU，可以加深对数字电路设计和计算机体系结构的理解。
以下是FPGA简单CPU设计的过程学习。
首先，需要了解CPU的基本组成部分。
一个简单的CPU通常包括取指单元（Instruction Fetch Unit，IFU）、译码单元（Decode Unit，DU）、执行单元（Execution Unit，EU）和存储器单元（Memory Unit，MU）。
IFU负责从存储器中读取指令，并将其传递给DU进行解码。
DU根据指令的类型和需要的操作数，决定要执行的操作，并将操作数传递给EU。
EU执行指令的操作，并将结果返回给MU。
然后，需要根据CPU的组成部分和指令集设计相应的模块。
IFU模块可以包括一个指令寄存器（Instruction Register，IR），用于存储当前指令。
DU模块可以包括一个指令解码器（Instruction Decoder），用于解码IR中的指令，并将操作码、目的寄存器地址和源寄存器地址传递给EU。
EU模块可以包括一个算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），用于执行算术运算，并将结果传递给MU。
MU模块可以包括两个寄存器文件（Register File），分别用于存储源寄存器和目的寄存器的值。
在实际的FPGA设计中，可以使用硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）进行设计。
常用的HDL包括VHDL和Verilog。
使用HDL来描述CPU的各个模块，并进行逻辑仿真和综合，可以在FPGA上实现对CPU的验证和测试。
设计完成后，可以将CPU的设计烧录到FPGA中，并通过外部输入设备（如键盘）和输出设备（如显示器）来测试CPU的功能。
简单cpu的电路连接图
使用MAX+PLUS II绘制CPU中的部分电路选下列题目之一进行实验：（每个实验都有一项要求是属于较高要求选作的）1、绘制“非常简单CPU”数据通路2、绘制移位——相加乘法电路附1：绘制“非常简单CPU”数据通路在实验资料中已给出6位寄存器、6位计数器两个元件的设计文件：reg6.gdf和cou6.gdf。
绘制“非常简单CPU”数据通路步骤及指导：非常简单CPU的寄存器：一个8位累加器AC，一个6位的地址寄存器AR，一个6位的程序计数器PC，一个8位的数据寄存器DR，一个2位的指令寄存器IR。
其数据通路详见教材。
1、零件制作6位寄存器reg6.gdf （自行设计）类似于8位寄存器，6位寄存器是由6个d触发器连接成的6位计数器cou6.gdf （自行设计）8位寄存器（可选择74系列宏函数74273）将八个d触发器如图连接起来，构成八位寄存器8位计数器（由两个74161构成）2位寄存器（由D触发器构成，自行设计）6三态缓冲器（自行设计，可由74244内部逻辑修改而成）8三态缓冲器（选择74系列宏函数74244，或作修改）alu模块（自行设计，限于时间，其内部逻辑不作要求）此为选择器，根据ttl选择的已有器件此为两个加法器相连，充当alu部分的八位并行加法器此为八位与门此为alu整体部件的电路图2、选择器件，加入数据通路顶层图8位累加器AC：选择8位计数器6位地址寄存器AR：reg66位的程序计数器PC：cou68位的数据寄存器DR：选择8位寄存器2位的指令寄存器IR：选择2位寄存器3、为PC、DR加入三态缓冲器。
4、调整版面大小，器件位置。
5、设计地址引脚、数据引脚、8位内部总线，加入数据引脚到内部总线的缓冲器。
6、连接各器件之间以及到内部总线的线路，设计并标注各控制信号。
7、实验报告中应给出各元部件的实现方法、内部逻辑贴图、打包符号说明及顶层的“非常简单CPU”数据通路图。
下图即为简单cpu的连接图，并通过编译。
计算机组成原理实验CPU设计与指令集仿真
计算机组成原理实验CPU设计与指令集仿真在计算机组成原理实验中，CPU的设计和指令集仿真是非常重要的一部分。
本文将以一种适合科技类文章的格式，详细介绍CPU设计和指令集仿真的过程和原理。
一、CPU设计CPU设计是计算机组成原理的核心内容之一。
在CPU设计中，需要考虑的主要有以下几个方面：1.1 指令集架构指令集架构是CPU设计的基础。
它定义了CPU能够执行的指令集合，包括指令的格式、指令的操作码以及指令的操作类型等。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）等。
1.2 数据通路设计数据通路是指CPU中用于执行指令的路径。
它包括寄存器、算术逻辑单元（ALU）、控制单元等组成部分。
在数据通路设计中，需要考虑指令的执行顺序、数据的传输等关键问题。
1.3 控制单元设计控制单元是CPU中负责控制指令执行的部分。
它根据指令的操作码和操作数，产生控制信号，控制数据通路的工作。
在控制单元设计中，需要充分考虑指令的并行性、误差检测等因素。
1.4 存储器设计存储器是CPU与外部设备交换数据的接口。
在CPU设计中，需要选择适合的存储器结构，包括寄存器、缓存、主存等。
存储器的设计不仅关系到CPU的性能，还关系到整个计算机系统的性能。
二、指令集仿真指令集仿真是一种通过软件模拟CPU的工作过程，实现对指令集的测试和验证的方法。
指令集仿真主要分为以下几个步骤：2.1 定义指令集首先，需要根据CPU设计的指令集架构，定义仿真所需的指令集。
包括指令的格式、操作码和操作数等。
2.2 编写仿真程序根据指令集的定义，编写相应的仿真程序。
仿真程序可以使用高级编程语言如C、C++等编写，通过逐条解释CPU的指令，模拟CPU的执行过程。
2.3 仿真环境搭建为了能够进行指令集仿真，需要搭建相应的仿真环境。
包括模拟CPU的数据通路、控制单元以及存储器等组成部分。
可以使用软件仿真工具如ModelSim等来帮助搭建仿真环境。
2.4 指令集测试和验证在搭建好仿真环境后，可以对指令集进行测试和验证。
4-简单cpu设计_106004227
第4章简单MIPS CPU设计4.1引言在本章中，我们为MIPS指令集的两种不同实现方式建立数据通路和控制单元。
我们将要设计的实现方式包含了MIPS指令集的一个核心子集：存储器访问指令：取字(1w)和存储字(sw)。
算术逻辑指令：加法(add)，减法(sub)，与运算(and)，或运算(0r)和小于则设置(slt)。
分支指令：相等则转移(beq)和跳转(j)。
这个子集没有包括所有的整数指令(如缺乏乘除指令)，也不包括任何浮点数指令。
但是，在建立数据通道和设计控制部分时用到的关键原理都会得以体现。
其余指令的实现也是类似的。
在学习此实现方式时，我们将有机会看到指令集如何影响实现方式的多个方面。
在本章及下一章中用于实现MIPS子集的大多数概念与很多计算机的基本构造思想是一致的。
4.1.1 实现方式概述在前一章节中，我们学习了MIPS的核心指令，包括整数算术逻辑指令、存储访指令及分支指令。
这些指令的实现过程大致相同，而与具体的指令类型无关。
实现每条指令的前两步是一样的：1)程序计数器(PC)指向指令所在的存储单元，并从中取出指令。
2)通过指令字段内容，选择读取一或两个寄存器。
对于取字指令，只需读取一个寄存器，而其他大多数指令要求读取两个。
这两步之后，为完成指令而进行的步骤则取决于具体的指令类型。
幸运的是，对三种指令类型(存储访问、算术逻辑、分支)的每一种而言，其动作大致相同，与具体操作码无关。
即使是不同类型的指令，也有一定的共性。
例如，所有类型的指令在读取寄存器后，都要使用算术逻辑单元(ALU)。
存储访问指令用ALU计算地址，算术逻辑指令用来执行运算，分支指令用ALU进行比较。
可以看出，指令的简洁和规整使许多指令的执行很相似，因而简化了实现过程。
使用ALU之后，不同类型指令需要进行不同的操作。
存储访问指令需要对存储单元进行读出或写入；算术逻辑指令需要将ALU产生的数据写回寄存器中；而分支指令会根据比较的结果，决定是否需要更改下条指令的地址。
一个简单的CPU设计(黄欢)
一个简单的CPU设计（黄欢）课题：简单的CPU模型专业：计算机科学与技术班级：01学号：20222225姓名：黄欢指导教师：姚家宁设计日期：2022年12月12日成绩：重庆大学城市科技学院电气信息学院重庆大学城市科技学院电气信息学院课程设计报告计算机组成原理课程设计报告一、设计目的计算机组成原理课程设计的主要任务是让学生通过动脑和动手解决计算机设计中的实际问题。
综合运用所学计算机组成原理知识，在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本的模型计算机，掌握整机概念，并设计机器指令系统，编写程序，在所设计的模型计算机上调试运行。
通过一个简单的CPU设计，明确计算机的控制原理与控制过程，巩固和灵活应用所学的理论知识，掌握计算机组成的一般设计方法，提高学生设计能力和实践操作技能，为从事计算机研制与设计打下基础。
二、设计要求（1）．振荡器，时间脉冲→时间（节拍）（2）．时间指令→微命令（3）．指令操作码→指令（信号）三、实现过程1、系统概述控制单元的主要功能是需要发出各种不同的微操作控制信号，从存储器取出的指令或有效地址都先送至MDR再送至IR，省去IR送至MAR的数据通路，凡是需从IR送至MAR的操作均有MDR送至MAR代替。
计算机中有一运行标志触发器G，当G=1时，表示机器运行；当G=0时，表示停机。
此CPU指令系统中包含CLA、COM、INC、SHR、CSL、STP、ADD、SUB、AND、LDA、STA、JMP、JZ、JN、JC重庆大学城市科技学院电气信息学院课程设计报告主存MDRPCCPUACIRALUCU标志控制信号+1MAR控制信号时钟G2、设计方案（1）.组合逻辑设计组合逻辑设计控制单元时，首先根据上述微操作的节拍安排，列出微操作命令的操作时间表，然后写出没一个微操作命令（控制信号）的逻辑表达式，最后根据逻辑表达式画出相应的组合逻辑电路图。
1>列出微操作命令的操作时间表上述条机器指令的微操作命令的操作l对间表。
基于VerilogHDL简单CPU设计
基于VerilogHDL的简单CPU设计摘要：本文实现了一个基于veriloghdl的简单cpu，系统由运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器五大模块构成。
在对各个模块时序仿真实验的基础上，系统整体功能测试成功。
系统具有良好的稳定性和灵活性，指令集易扩展。
关键词：veriloghdl；cpu；时序仿真中图分类号：tp3341 引言veriloghdl【1】是一种硬件描述语言（hdl：hardwarediscriptionlanguage），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。
由于verilog接近c语言的语言规则，适合进行fpga的开发和教学工作，得到了广泛的应用。
本文基于对cpu的研究，设计并实现了一个基于verilog的简单cpu，并成功进行了仿真实验。
2 cpu的功能和结构2.1 cpu的功能本cpu模型由五大部分组成，分别是运算器、控制器、译码器、存储器、指令计数器。
实现了一个简单指令集，包括停机指令，加，减，与，加载，存储等指令。
同时能进行数据的存储和管理【2】。
2.2 cpu的结构图2.2.1 cpu的架构图cpu的整体结构如上面两个图所示，各个模块协调工作，共同完成cpu的每一次任务。
指令格式为“op+0+opd1+opd2”其中op为3位操作码，0为固定位（或者说是没用的一位），opd1，opd2为6位操作数的地址（之前已经写入内存）。
寻址方式固定为立即数寻址。
3 cpu主要模块的实现3.1 运算器模块alu算术逻辑运算单元alu。
根据输入的6种不同操作码分别实现相应的加、减、与、加载，存储，停机等6种基本操作运算。
利用这几种基本运算可以实现很多种其它运算以及逻辑判断等操作：（1）hlt停机操作。
该操作将空一个指令周期，即6个时钟周期；（2）add相加。
该操作将取存储器中的两个数据相加；（3）and相与。
大师教你如何制作一个简单的16位CPU
mv指令将Ry的数据转移到Rx中，mvi将立即数D转移到Rx当中，add将Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不过执行的是减法。 首 先来说明mv指令是如何执行的：mv指令将Ry的值移入Rx寄存器当中，这两个寄存器都是由一组D触发器构成，而D触发器的个数取决 于寄存器的宽度，就像 32位机、64位机这样，那他们的寄存器使用的D触发器的个数就是不一样的。当执行mv rx,ry时，中间的多路器(图 中最大的那个multiplexer)选通Ry，让Ry寄存器驱动总线，这个时候Bus上的信号就是Ry的值；然后再看到 R0~R7上分别有R0in~R7in信 号，这个信号是使能信号，当这个信号有效时，在上升沿此触发器会将din的数据输入，所以说到这里大家一定想到 了，这个时候Rx触发 器上的Din信号就会变为有效，这样过了一个时钟周期后Ry的值就被送到了Rx当中。 与mv指令类似，mvi指令也将一个数据送入Rx当中，只不过这次的数据存在指令当中，是立即数，所以Rx的Din信号会变为有效，而多路 器会选择IR中的数据，因为mvi指令的立即数存在指令当中。并且进行一定处理，例如扩展等。 add 指令会让多路器先选择Rx，然后Ain信号有效，这样一个时钟周期后，Rx数据被送入Alu的A寄存器当中，这时多路器选择 Ry，addsub信号为 add以指示ALU进行加法操作，Gin有效让G寄存器存放运算结果，然后再过一个时钟周期G当中的数据就是Rx与Ry的 和，这时多路器再选择 Gin，Rx的Din有效，过了一个时钟周期后数据就被存放到Rx当中了。 sub的过程与add差不多，不过addsub信号是sub指示ALU进行减法。 【分页导航】
单周期cpu课程设计
单周期cpu课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解单周期CPU的工作原理，掌握其内部结构及功能。
2. 学生能描述单周期CPU的指令执行过程，包括取指、译码、执行、访存、写回等阶段。
3. 学生能解释单周期CPU中时钟、指令和数据的关系，并分析其性能特点。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计并实现一个简单的单周期CPU。
2. 学生能运用仿真软件对单周期CPU进行功能仿真，验证其正确性。
3. 学生能通过课程学习，培养自己的逻辑思维和问题解决能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能对计算机硬件及CPU产生兴趣，激发学习热情。
2. 学生能认识到CPU在计算机系统中的核心地位，增强对计算机科学的尊重和热爱。
3. 学生能在团队协作中发挥积极作用，培养合作精神和沟通能力。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业核心课程，旨在让学生了解CPU的基本原理，掌握单周期CPU的设计方法。
学生特点：学生已经具备一定的数字逻辑电路基础，具有一定的编程能力和逻辑思维能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，引导学生通过课程学习，达到课程目标所规定的知识、技能和情感态度价值观要求。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与，培养其独立思考和解决问题的能力。
通过课程目标的分解，确保教学设计和评估的针对性和有效性。
二、教学内容1. 单周期CPU概述：介绍CPU的发展历程，单周期CPU的概念及其在计算机系统中的作用。
教材章节：第1章 计算机系统概述2. 单周期CPU内部结构：讲解CPU的内部组成部分，包括控制单元、算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、程序计数器等。
教材章节：第2章 CPU内部结构3. 指令集与指令执行过程：分析指令集的设计，讲解单周期CPU指令执行过程中各阶段的任务和实现方法。
教材章节：第3章 指令集与指令执行4. 时序控制与性能分析：探讨时钟、指令和数据的关系，分析单周期CPU的性能特点。
教材章节：第4章 时序控制与性能分析5. 单周期CPU设计方法：介绍设计单周期CPU的步骤，包括电路设计、指令集设计、时序控制等。
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实验非常简单CPU数据通路设计
姓名：方小开班级：计科2班学号：20060810202
【实验目的】
1.掌握CPU的设计步骤
2.学会芯片的运用及其功能
【实验环境】
Maxplus2环境下实现非常简单CPU数据通路的设计
【实验内容】
可选以下实验之一：
1、绘制“非常简单CPU”数据通路（MAX+PLUS II环境）数据通路
2、绘制移位-相加乘法电路（MAX+PLUS II环境）
3、绘制MIPS处理器数据通路（“画笔”或Powerpoint或手工）
实验辅助材料
对上述三个实验，分别提供以下辅助材料：
1、“非常简单CPU”数据通路，给出步骤和指导，见后。
2、乘法电路，给出实验原理图（MAX+PLUS II的gdf文件，但不完整或
有错误）。
3、MIPS处理器，给出数据通路的图片文件。
附：绘制“非常简单CPU”数据通路步骤及指导
非常简单CPU的寄存器：一个8位累加器AC，一个6位的地址寄存器AR，一个6位的程序计数器PC，一个8位的数据寄存器DR，一个2位的指令寄存器IR。
其数据通路详见教材P。
1、零件制作
6位寄存器（自行设计）
6位计数器（自行设计）
8位寄存器（可选择74系列宏函数74273）
8位计数器（由两个74161构成）
2位寄存器（由D触发器构成，自行设计）
6三态缓冲器（自行设计，可由74244内部逻辑修改而成）
8三态缓冲器（选择74系列宏函数74244，或作修改）
alu模块（自行设计，限于时间，其内部逻辑不作要求）
2、选择器件，加入数据通路顶层图
8位累加器AC：选择8位计数器
6位地址寄存器AR：reg6
6位的程序计数器PC：cou6
8位的数据寄存器DR：选择8位寄存器
2位的指令寄存器IR：选择2位寄存器
3、为PC、DR加入三态缓冲器。
4、调整版面大小，器件位置。
5、设计地址引脚、数据引脚、8位内部总线，加入数据引脚到内部总线的
缓冲器。
6、连接各器件之间以及到内部总线的线路，设计并标注各控制信号。
7、（选做）编译之后，给出微操作AR<-PC 的测试方法及仿真结果。
8、实验报告中应给出各元部件的实现方法、内部逻辑贴图、打包符号说
明及顶层的“非常简单CPU”数据通路图。
附2：移位相加乘法电路绘制思路
移位相加乘法可实现形如UV←X×Y的运算，其中X、Y、U、V都是n位的寄存器。
简单起见，假设n=8。
1、元器件选择
X ：可选用74系列宏函数74273
Y、U、V：可尝试两个74194组合
C ：D触发器dff
i ：可尝试选用74169
8位并行加法器：可由两个74181（S3~S0=1001，M=1）组合成，或两个
74283组合，或两个7483组合而成，或自行设计
状态计数器：可选74161
译码器：用74138或74139
结束：D触发器dff
2、各元件设计好后，测试无误（不作要求），打包成符号，即symbol，
用于定层图的绘制。
3、顶层图连线。
4、（选做）顶层图编译测试仿真。
5、实验报告。
【实验步骤】
基于前面非常简单CPU的模拟实验，我们掌握了非常简单CPU的指令集结构及非常简单CPU的指令读取过程，本次实验是在上次实验的基础之上进一步完成非常简单CPU数据通路的设计，其步骤如下：
程序计数器的设计如下：
打包图如下：
AC累加器的设计如下：
打包图如下：
两位高地址寄存器IR的设计如下：
IR打包图如下：
8位地址寄存器设计如下：
打包图如下：
6位地址寄存器的设计如下：
打包图如下：
控制6位地址总线的三态缓冲器：
打包图如下：
控制8位地址总线的三态缓冲器：
打包图如下：
CPU的最终设计通路如下图：。