基于FPGA的RISC CPU设计：从入门到实践

本文档是一份关于基于FPGA的最简RISC CPU设计的详细课程报告，撰写于2017年3月26日。该设计旨在帮助学习者深入理解计算机处理器的基本结构，特别是RISC（精简指令集计算机）架构。CPU设计主要包括以下几个关键部分： 1. SPM_CPU设计：设计的核心是创建一个简单但功能齐全的处理器，具有4个8比特寄存器，用于指令和数据存储。它采用了Ciletti的指令设计方法，具体指令如NOP（无操作），ADD（加法），SUB（减法），AND（逻辑与）等，每个指令都有明确的操作码、源操作数和目标操作数，以及数据地址。 - 取指周期：设计中详细描述了CPU的控制器如何执行取指操作，确保指令的连续执行。 - 运算指令：包括ADD、SUB、AND等，展示了它们的执行过程和对寄存器的操作。 - 跳转指令（BR）、零标志转移（BRZ）以及读写指令（RD、WR）等控制流程，使得程序能按预期执行。 - 停机指令（HALT）和输出指令（OUT）用于程序终止和数据输出，增加了系统的实用性。 - 提供了两个测试程序，分别是流水灯和斐波那契数列，分别展示了CPU如何处理不同类型的数据和算法。 2. RISC_CPU设计：这部分进一步深化了CPU的设计，包括顶层架构设计，片上系统(SoC)的构建，以及地址映射表的实现。指令系统设计详细阐述了指令格式和指令码表，强调了不同指令的执行效率。 - 指令节拍分析：着重于分析每条指令的执行时间，包括取指周期、运算指令执行、数据读写操作等，这有助于优化CPU性能。 - 中断处理：设计中包含了无条件转移指令、零标志转移指令（SKZ）和中断返回指令，以支持中断处理机制。 - 片内外数据指令区别：区分了CPU内部和外部数据的访问，体现了处理器对内存管理的考虑。 这份报告不仅涵盖了CPU的基本组成部分和工作原理，还通过实例演示了如何将理论知识应用于实际设计中，适合作为学习者理解CPU内部结构和实现的基础教程。通过完成这个项目，学生能够加深对计算机体系结构的理解，提高硬件编程和调试能力。