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(安阳师范学院，河南 安阳 455000)

CPU作为计算机系统的核心，其功能与结构设计一直是国内外研究的热点。近年来随着计算机和微电子技术的发展，采用EDA技术，基于FPGA器件的CPU设计成为计算机组成原理和计算机系统结构实验中的重要内容[1]。如何使CPU更有效率地工作，使其内部结构更精简，一直是研究的方向。本文研究了CPU的功能和结构特点，完成了一个8位CPU的设计，并给出综合仿真结果。

1 CPU功能简介、模块组成和指令集

本文设计的CPU是基于FPGA器件的具有完整的取指、译码、执行功能的8位CPU。在此设计中，指令系统采用单字长结构，指令地址码部分采用直接寻址方式，指令所能访问的数据存储器的地址空间为32字节。为简化处理，所设计的指令存储器的地址空间也为32字节，用5位指令地址进行访问取指。

1.1 CPU功能简介

CPU的功能主要是取指令、分析指令、执行指令。其工作过程是对所存储的程序指令进行读取，并进行指令译码，从而按照指令所代表的含义执行相应操作。基于此设计的CPU及存储器的大致结构如图1所示。在图中可以清晰地看到整个CPU的运作过程。首先从寄存器PC中取出指令地址，根据指令地址从指令存储器中取出指令，将指令放入寄存器IR中，再根据寄存器IR中的指令进行指令分析；其次从数据存储器中进行数据存取，通过ALU运算器，最终按照指令要求进行数据加工操作；最后根据AC结果值，对标志位ZF进行赋值。根据整个CPU的运作过程，把CPU的功能模块设计成取指部件、译码部件、执行部件三大功能部件，然后设计一个时序信号处理部件来控制这三个部件的执行[2]。……