8位CPU系统设计：指令实现与结构详解

本次课程设计的目标是深入理解并实践一个8位CPU的设计过程，旨在通过构建一个简洁但功能齐全的CPU模型来掌握其基本原理。设计的核心任务是实现五种基本指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）和JMP（无条件转移），同时确保整个系统的稳定性和正确性。 设计要求包括以下几个关键部分： 1. **硬件设计**： - **CPU架构**：CPU主要组成部分包括算术逻辑单元（ALU）、数据暂存寄存器（如DR1、DR2）、数据寄存器R0-R2（用于临时存储数据）、程序计数器（PC）存储指令地址、地址寄存器（AR）存放内存地址、指令寄存器（IR）存放当前指令信息，以及微控制器（uC）用于控制CPU的工作流程。 - **运算部件**：负责对操作数进行算术和逻辑运算，包含输入逻辑、ALU和输出逻辑。 - **寄存器组**：模型CPU中仅用R0、R1、R2三个寄存器存放控制信息和数据信息，用于处理指令译码、运算结果等。 - **程序计数器**：PC作为指令指针，负责跟踪并更新当前执行指令的位置。 2. **软件实现**： - **指令集**：设计的指令集必须能够支持指定的五种指令，确保CPU能够正确执行它们。 - **仿真与验证**：通过电路原理图和仿真波形图展示设计的实现，以及编写详细的设计报告，记录设计过程、心得体会和所使用的资料图纸。 3. **外围设备**： - 输入/输出装置：如键盘、数码管和LCD显示器，用于数据交互和观察CPU内部操作。 4. **方案论证与选择**： - 在实际设计中，考虑使用单片FPGA实现运算器、控制器、程序存储器、数据存储器和微程序存储器，以简化硬件实现。 - 分析不同设计方案的优缺点，选择最合适的CPU系统方案，确保性能和成本的平衡。 在整个设计过程中，学生不仅要学习CPU的基本原理，还需锻炼电路设计、仿真分析和文档编写等多方面技能，这是一个理论与实践相结合的重要项目，旨在提升对计算机系统内部运作的理解和实践能力。