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第二章 — CPU 设计

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章节定位

本章围绕指令集架构、RTL 描述与 CPU 原型机设计展开，从指令格式、冯·诺依曼结构到 CPU 指令周期建立硬件抽象模型，通过 VSCPU 的硬布线控制与微程序控制器设计，逐步完成状态图分析、ALU、数据通路、控制单元及控制信号生成与验证；同时依托 VSPM 自创原型机，提供完整设计文档、递进实验 PPT 及 FPGA 板级演示，让学生亲手搭建可运行的处理器，并结合 8085 体系结构对比分析，培养从指令集设计到硬件实现的完整 CPU 工程能力。

知识主线

• 指令集结构：指令格式、设计原则、冯·诺依曼结构、总线与 CPU 指令周期
• CPU 体系结构对比：CISC vs RISC（8085 微处理器 & RISC-V 拓展案例）
• 寄存器传输语言（RTL）：数字系统的形式化描述方法
• VSCPU 设计：图灵完备的 12 条指令、硬布线控制、状态图分析、ALU、数据通路、控制单元
• 微程序控制器：微指令格式、微程序跳转逻辑
• FPGA 板级演示：累加求和、流水线执行
• VSPM 模拟器：Java 实现的 VSCPU 体系结构模拟器
• 8085 对比分析：简单 CPU 局限性与 8085 体系结构

学习单元

编号	单元名称	educoder 直达	状态
2-1	指令集结构及计算机硬件基本组成	前往学习	✅ 计入打卡
2-2	RTL 语言及其数字系统描述	前往学习	✅ 计入打卡
2-3	CPU 设计规范	前往学习	✅ 计入打卡
2-4	VSCPU 设计	前往学习	✅ 计入打卡
2-5	VSPM（自创原型机）的设计与实现	前往学习	✅ 计入打卡
2-6	拓展 — 简单 CPU 的缺点 & 8085 CPU	前往学习	✅ 计入打卡
2-7	本章课件	课件入口	📦 补充材料
2-8	本章讨论题	讨论题入口	💬 补充材料

2-1 指令集结构及计算机硬件基本组成

建立完整硬件抽象模型的基础单元。

主要内容：

• 指令格式与设计原则
• 冯·诺依曼结构
• 总线与 CPU 指令周期
• CISC 与 RISC 的差异
• 8085 微处理器与 RISC-V 拓展案例

打卡 Issue：【打卡】任务 3 — 2-1 指令集结构及计算机硬件基本组成

2-2 RTL 语言及其数字系统描述

掌握数字系统形式化描述的单元。

主要内容：

• 寄存器传输语言（RTL）基础
• 数字系统形式化描述方法
• 时序与组合逻辑的 RTL 表达

打卡 Issue：【打卡】任务 4 — 2-2 RTL 语言及其数字系统描述

2-3 CPU 设计规范

CPU 工程化设计的预备单元。

主要内容：

• 完整设计文档的撰写方法
• 10 个递进实验 PPT 概览（从开发板环境熟悉到组合部件、时序部件、控制信号产生，直至模型机集成与测试）
• 软硬件接口规范

打卡 Issue：【打卡】任务 5 — 2-3 CPU 设计规范

2-4 VSCPU 设计

核心实操单元 — 设计图灵完备的 12 条指令 VSCPU。

主要内容：

• 状态图分析
• ALU 设计
• 数据通路构建
• 控制单元设计
• 控制信号生成
• 仿真验证
• 硬布线 vs 微程序控制器对比

打卡 Issue：【打卡】任务 6 — 2-4 VSCPU 设计

2-5 VSPM（自创原型机）的设计与实现

基于 VSCPU 的 Java 模拟器实现。

主要内容：

• VSPM 1.0 体系结构模拟器（Java）
• 模拟器核心模块（取指、译码、执行、访存、写回）
• 指令级模拟执行
• 多个 FPGA 演示视频（累加求和、流水线执行等）

打卡 Issue：【打卡】任务 7 — 2-5 VSPM（自创原型机）的设计与实现

2-6 拓展 — 简单 CPU 的缺点 & 8085 CPU

对比分析与拓展思考。

主要内容：

• 简单 CPU 的局限性分析
• 8085 CPU 体系结构深入对比
• CISC 典型代表的工作机制

打卡 Issue：【打卡】任务 8 — 2-6 拓展 — 简单 CPU 的缺点 & 8085 CPU

2-7 / 2-8 补充材料

这两项为补充材料包，不计入 13 个打卡 Issue，但建议学习者完成本章节 6 个学习单元后系统复习。

• 2-7 本章课件 — 完整课件包，用于章节复习
• 2-8 本章讨论题 — 配套讨论题，用于深度研讨

学习资源

• 📘 教材参考：《计算机组成与设计：硬件/软件接口》（Patterson & Hennessy）、《数字设计和计算机体系结构》（Harris & Harris）
• 🎥 视频：硬布线控制器设计、微程序控制器、FPGA 演示（累加求和、流水线执行）
• 📑 课件：10 个递进实验 PPT
• 🔗 实验平台：VSCPU 仿真器、FPGA 开发板