0 引言

通常，人們對微型計算機的工作原理及硬件結構的了解來源于書本知識，深入理解掌握其功能特點比較困難，要自己親手去做一個類似功能的微型計算機更是不可能。隨著可編程邏輯器件的廣泛應用，為數字系統的設計帶來了極大的靈活性，用戶可以利用FPGA(現場可編程門陣列)來開發出一個精簡指令的CPU，同時對微型計算機的原理及結構進行充分研究，便于將來進行相關ASIC(專用集成電路)設計，也可用于計算機原理教學之中。

1 微型計算機結構及原理

以一個簡化的微型計算機為例，圖1是微型計算機的簡化結構。

圖1 微型計算機的簡化結構

1.1 微型計算機結構

微型計算機由PC(程序計數器)、IR(指令寄存器)、CON(控制部件)、MAR(存儲地址寄存器)、ROM(只讀存儲器)、A(累加器)、ALU(算術邏輯部件)、B(寄存器)、OUTREG(輸出寄存器)、DLEDDIS(數碼管動態掃描模塊)及DECL7S(顯示模塊)等組成。這里僅介紹有所改變或不同的模塊。

圖1中：L為數據載入控制信號，E為三態輸出選通信號，clk為時鐘信號，clr為清零信號，Cp為控制PC加1信號，S0-S3為控制ALU進行加減或邏輯運算的選擇信號。所有的控制、時鐘及清零信號由CON模塊給出，而CON模塊由外部時鐘clkin及清零信號rst控制。PC可以置數，即可執行跳轉指令。OUTREG可清零，便于多次調試。DLEDDIS及DECL7S用來把地址及結果在數碼管上顯示出來。

1.2 微型計算機原理

雖然這臺微型機可以實現16條指令，但本文對指令不做擴展，僅以5條指令為例。LDA為將數據裝入累加器A(操作碼0000)；ADD為進行加法運算(操作碼0001)；SUB為進行減法運算(操作碼0010)；OUT為輸出結果(操作碼1110)；HLT為停機(操作碼1111)。

在程序和數據裝入后，當外部給出時鐘信號及清零信號無效時，由CON模塊發出信號及控制字，開始取出和執行每條指令。如控制字順序為ErLrS3S2S1S0EuLm LbEaLaEi LiCpEpLp，這里Lr可用于存儲器為RAM時做寫使能信號。由于采用的是數據總線與地址總線合一的總線結構，一條指令的執行需要6個機器節拍，即前3節拍取指周期與后3節拍執行周期。如執行ADD 0AH，機器碼為1AH(0001 1001)。第1節拍將PC內容送入MAR，控制字為“0000 0001 0000 0010”，即Ep與Lm為1；第2節拍將ROM中對應地址單元中的內容送到IR，IR高4位送至CON，控制字為“1000 0000 0000 1000”，即Er與Li為1；第3節拍使PC加1，控制字中Cp為1，其余為0；第4節拍將IR的低4位送至MAR，Ei與Lm為1；第5節拍將ROM中的內容送入累加器A中，Er與La為1；第6節拍為加法運算，Eu與La為1，同時S0-S3選擇為加法運算。