8位CPU在FPGA上实现（1）

CPU组成

CPU是中央处理器的缩写（Central Processing Unit），是计算机的核心部分（就是说一个CPU不能组成一个完整的计算机，需要搭配不同的外设。），是一块集成度极高的电路。CPU和不同的片外外设组成了不同的控制器（CPU和不同的外设组合在一起变成不同的芯片）。

8位简易CPU结构

一般地，CPU里面有一个控制器、一个存储器、一个算术逻辑单元（ALU）以及不同具有特殊功能的外设，通过总线连接在一起。结构图如下：

控制器通过读取存储器里面的指令，对其进行译码，和执行。控制器控制数据进入ALU进行逻辑运算，计算完成后数据送到存储器或者特殊功能的电路，又或者送到外设上。
那么，具有CPU功能的电路，只需要三个必备条件：
1）有控制器
2）有ALU
3）有存储器

冯诺依曼结构

一个叫冯·诺依曼（一个数学家）的人提出的计算机结构，其结构主要如下：

早期计算机很多都是这种结构的，特别在70~90年代这段时间。它的最主要特点是：把指令和数据放在同一个存储器里面，这样读取数据可以减少总线数量。但是速度比较慢，成本低。

哈佛结构

名字来历不太清楚，其结构主要如下：

因为数据存储器和指令那个存储器分开的，所以可以一边读指令一边读写数据，吞吐量比冯诺依曼大很多。可以说专门位告诉电路而生的，但是成本较高。典型的就是ARM的单片机内核——三级流水线哈佛结构。

MIPS指令集

机器运行时，需要根据指令进行工作，这里以MIPS展开。这种指令都是32位的，指的是由32个“0”和“1”组成的指令，也就是32bit（4个字节，对应占用4个地址，这个很好解释为什么指令执行地址的都是+4地跳着读）。
在MIPS里面，约定了32个寄存器（这些寄存器都有特定的功能）。着一些寄存器用于存放运算过程中产生的数据。不同指令集中，这些要求的寄存器就不一样。

FPGA上实现8位CPU

在FPGA上构建一个拥有CPU功能的电路，这里不打算将全部指令都纳入其中，寄存器也是。这里基于某智的陈年低配FPGA板卡：EP4CE6E22C8N进行试验。需要对这些指令进行裁剪，采用冯诺依曼结构进行设计。基于复位线和时钟线，把上述所有模块集成起来，实现一个简单的CPU电路。