大師教你如何制作一個(gè)簡(jiǎn)單的16位CPU

如何制作一個(gè)簡(jiǎn)單的16位CPU，首先我們要明確CPU是做什么的，想必各位都比我清楚，百度的資料也很全。。。。。

如果想要制作一個(gè)CPU，首先得明白下計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)(或者計(jì)算機(jī)的替代品，因?yàn)椴⒉皇侵挥杏?jì)算機(jī)有CPU，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品都很先進(jìn)，很多設(shè)備例如手機(jī)、洗衣機(jī)甚至電視和你家的汽車上面都得裝一個(gè)CPU)，數(shù)字電路基礎(chǔ)，還最好有點(diǎn)編程的基礎(chǔ)(當(dāng)然，沒(méi)有也沒(méi)關(guān)系，這些知識(shí)都很容易獲得，各種書(shū)上面都會(huì)提到，并且在接下來(lái)的過(guò)程中我會(huì)提到這些知識(shí))

我們要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)RISC指令集的CPU，并且我們最后要自己為這個(gè)CPU設(shè)計(jì)指令并且編碼。

首先我們來(lái)聽(tīng)個(gè)故事，關(guān)于CPU的誕生的故事：

日本客戶希望英特爾幫助他們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)八種專用集成電路芯片，用于實(shí)現(xiàn)桌面計(jì)算器。英特爾的工程師發(fā)現(xiàn)這樣做有兩個(gè)很大的問(wèn)題。第一，英特爾已經(jīng)在全力開(kāi)發(fā)三種內(nèi)存芯片了，沒(méi)有人力再設(shè)計(jì)八種新的芯片。第二，用八種芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算器，將大大超出預(yù)算成本。英特爾的一個(gè)名叫特德?霍夫(Ted Hoff)的工程師仔細(xì)分析了日本同行的設(shè)計(jì)，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象。這八塊芯片各實(shí)現(xiàn)一種特定的功能。當(dāng)用戶使用計(jì)算器時(shí)，這些功能并不是同時(shí)都需要的。比如，如果用戶需要計(jì)算100個(gè)數(shù)的和，他會(huì)重復(fù)地輸入一個(gè)數(shù)，再做一次加法，一共做100次，最后再打印出來(lái)。負(fù)責(zé)輸入、加法和打印的電路并不同時(shí)工作。這樣，當(dāng)一塊芯片在工作時(shí)，其他芯片可能是空閑的。

霍夫有了一個(gè)想法：為什么不能用一塊通用的芯片加上程序來(lái)實(shí)現(xiàn)幾塊芯片的功能呢?當(dāng)需要某種功能時(shí)，只需要把實(shí)現(xiàn)該功能的一段程序代碼(稱為子程序)加載到通用芯片上，其功能與專用芯片會(huì)完全一樣。

經(jīng)過(guò)幾天的思考后，霍夫畫(huà)出了計(jì)算器的新的體系結(jié)構(gòu)圖，其中包含4塊芯片：一塊通用處理器芯片，實(shí)現(xiàn)所有的計(jì)算和控制功能;一塊可讀寫(xiě)內(nèi)存(RAM)芯片，用來(lái)存放數(shù)據(jù);一塊只讀內(nèi)存(ROM)芯片，用來(lái)存放程序;一塊輸入輸出芯片，實(shí)現(xiàn)鍵入數(shù)據(jù)和操作命令、打印結(jié)果等等功能。

看完這個(gè)故事后，可以總結(jié)：CPU是一種用來(lái)代替專用集成電路的器件(這只是我的理解，不同人有不同理解，這個(gè)就智者見(jiàn)智了，我在接下來(lái)的例子中也會(huì)說(shuō)明我的想法)。

然后考慮如下這個(gè)例子：

例1-1:

mov eax,0

repeat:inc eax

jmp repeat

例1-2:

int main()

{

unsigned int i = 0;

while(1)

i++;

}

例1-3:

可以看到，以上三個(gè)例子都產(chǎn)生了一個(gè)從0不斷增加的序列，而且前兩個(gè)例子會(huì)一直加到溢出又從0開(kāi)始(這個(gè)取決于計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)也就是多少位的CPU，eax是32位寄存器所以必然是加到4294967295然后回0，而后面那個(gè)c程序則看不同編譯器和不同平臺(tái)不一樣)，后面那個(gè)例子則看你用的是什么樣的加法器和多少個(gè)D觸發(fā)器

那問(wèn)題就來(lái)了，我假設(shè)要一個(gè)遞減的序列怎么辦呢?前兩個(gè)例子很好解釋，我直接改代碼不就得了：

例2-1:

mov eax,0

repeat:dec eax

jmp repeat

例2-2:

int main()

{

unsigned int i = 0;

while(1)

i--;

}

你只需要輕輕敲擊鍵盤(pán)，修改了代碼之后，它就會(huì)如你所愿的執(zhí)行。

但是后面那個(gè)例子怎么辦呢?可能你已經(jīng)想到辦法了：如例2-3所示。

例2-3:

問(wèn)題就來(lái)了，你在鍵盤(pán)上敲兩下可不能改變實(shí)際電路!上面(例1-3)中是個(gè)加法器，但是跑到這里卻變成了減法器(例2-3)!

這樣的話，你就得再做一個(gè)電路，一個(gè)用來(lái)算加法，一個(gè)用來(lái)算減法，可是兩個(gè)電路代表你得用更多的電路和芯片，你花的錢(qián)就得更多，要是你不能同時(shí)使用這兩個(gè)電路你就花了兩份錢(qián)卻只干了一件事!

這個(gè)問(wèn)題能被解決嗎?答案是能!

請(qǐng)看例3：

這個(gè)例子中使用了一個(gè)加法器一個(gè)減法器，沒(méi)比上面的電路省(顯然。。。。難道你想用減法器做加法器的功能?不可能吧!當(dāng)然，加上一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼確實(shí)就是減去一個(gè)數(shù)，但是這里先不考慮這種問(wèn)題)，多了一組多路器，少了一組D觸發(fā)器?？偟膩?lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)還是明顯的(兩塊電路板和一塊電路板的差別)。

而sel信號(hào)就是用來(lái)選擇的(0是遞增，1是遞減)。

如果我們把sel信號(hào)看做“程序”的話，這個(gè)電路就像一個(gè)“CPU”能根據(jù)“程序”執(zhí)行不同的“操作”，這樣的話，通過(guò)“程序”(sel信號(hào))，這個(gè)電路就能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用。

根據(jù)上面的結(jié)論，我認(rèn)為(僅僅是個(gè)人認(rèn)為啊~)：程序就是硬件電路的延伸!

而CPU的基本思想，我認(rèn)為就是這樣的。

接下來(lái)我們就分析CPU的結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件，然后實(shí)現(xiàn)這個(gè)CPU。

什么是單周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC

首先大家得有時(shí)鐘的概念：這個(gè)問(wèn)題不好解釋啊。。。。。?？梢岳斫鉃榧依锩娴臋C(jī)械鐘，上上電池之后就會(huì)滴答滴答走，而它“滴答滴答”的速度就是頻率，滴答一下用的時(shí)間就是周期，而人的工作，下班，吃飯和學(xué)習(xí)娛樂(lè)都是按照時(shí)鐘的指示來(lái)進(jìn)行的(熬夜的網(wǎng)癮少年不算)，一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘信號(hào)都是由晶體振蕩器產(chǎn)生的，0101交替的信號(hào)(低電平和高電平)。

數(shù)字電路都需要一個(gè)“時(shí)鐘”來(lái)驅(qū)動(dòng)，就像演奏交響樂(lè)的時(shí)候需要一個(gè)指揮家在前面指揮一樣，所有的人都會(huì)跟著指揮的拍子來(lái)演奏，就像數(shù)字電路中所有的部件都會(huì)跟著時(shí)鐘節(jié)拍工作一樣。

如下是一個(gè)理想的時(shí)鐘信號(hào)：(注意是理想的)。

當(dāng)然，實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)可能遠(yuǎn)沒(méi)有這么理想，可能上升沿是斜的，而且占空比也可能不是50%，有抖動(dòng)，有偏移(相對(duì)于兩個(gè)器件)，可能因?yàn)閷?dǎo)線的寄生電容效應(yīng)變得走形。

上面那段如果沒(méi)聽(tīng)懂也沒(méi)關(guān)系~~~反正就是告訴你，實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)測(cè)出來(lái)肯定沒(méi)這么標(biāo)準(zhǔn)。

而cpu的工作頻率，是外頻與倍頻的積(cpu究竟怎么算頻率,其實(shí)這個(gè)我也不太清楚呵呵)，因?yàn)閏pu是通過(guò)外部的晶振產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，然后再通過(guò)內(nèi)部的電路(鎖相環(huán))，倍頻至需要的頻率。當(dāng)然，有人問(wèn)，為什么要這么麻煩呢?直接在電路外邊做個(gè)時(shí)鐘晶振能產(chǎn)生那么高的時(shí)鐘信號(hào)就可以了嘛，這個(gè)是可以的，在某些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)上(例如51單片姬)就是這樣的，但是計(jì)算姬的cpu比較復(fù)雜，因?yàn)橐恍┰蛩员仨氁龅絚pu內(nèi)。

下面簡(jiǎn)單說(shuō)一下CPU的兩種指令集：CISC和RISC。

說(shuō)下我的看法(個(gè)人看法，如有錯(cuò)誤還請(qǐng)高手指正)：

RISC是Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，典型例子是MIPS處理器。

CISC是Complex Instruction Set Compute，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，典型例子是x86系列處理器(當(dāng)然現(xiàn)在的x86指令還是當(dāng)初cisc的指令，但是實(shí)際處理器的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)變成了risc結(jié)構(gòu)了，risc的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流水線等特性比較容易，在計(jì)算機(jī)前的你如果用的是intel某系列的處理器，則它使用的指令集看上去還是像cisc的指令，但是實(shí)際上你的cpu的結(jié)構(gòu)已經(jīng)是risc的了)。

一般CISC的處理器需要用微指令配合運(yùn)行，而RISC全部是通過(guò)硬連線實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，當(dāng)cisc的處理器在執(zhí)行你的程序前，還得先從另外一個(gè)rom里面讀出一些數(shù)據(jù)來(lái)“指導(dǎo)”處理器怎么處理你的命令，所以cisc效率比較低，而risc是完全通過(guò)部件和部件之間的連接實(shí)現(xiàn)某種功能，極大的提高了工作效率，而且為流水線結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。cisc的寄存器數(shù)量較少，指令能夠?qū)崿F(xiàn)一些比較特殊的功能，例如8086的一些寄存器：

ax,bx,cx,dx,si,di等;段寄存器有：cs,ds,es,ss等。相對(duì)的指令功能比較特殊，例如xlat將bx中的值作為基地址，al中的值作為偏移，在內(nèi)存中尋址到的數(shù)據(jù)送到al當(dāng)中(以ds為段寄存器)

而risc的處理器則通用寄存器比較多，而指令的功能可以稍微弱一點(diǎn)，例如：

以nios嵌入式處理器來(lái)說(shuō)明，nios處理器有32個(gè)通用寄存器(r0~r31)，而指令功能相對(duì)x86的弱一些，而且x86進(jìn)行內(nèi)存訪問(wèn)是直接使用mov指令，nios處理器讀內(nèi)存用的是load，寫(xiě)內(nèi)存用的是store，

二者響應(yīng)中斷的方式也不一樣，舉一個(gè)典型的例子，x86的處理器將中斷向量表放在了內(nèi)存的最低地址(0-1023，每個(gè)中斷向量占四個(gè)字節(jié))，能容納256個(gè)中斷(以實(shí)模式的8086舉例)響應(yīng)中斷時(shí)，將中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的地址上的cs和ip的值裝入到cs和ip寄存器而將原來(lái)的地址保存，并且保存狀態(tài)寄存器然后進(jìn)入中斷處理，而risc則擁有一個(gè)共同的中斷響應(yīng)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)根據(jù)中斷號(hào)找到程序向系統(tǒng)注冊(cè)的函數(shù)的地址，并且調(diào)用這個(gè)函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)而是用的cisc指令的長(zhǎng)度是不定的，例如x86的xor ax,bx對(duì)應(yīng)機(jī)器碼是0x31d8、而push ax是0x50、pop cx是0x59。而risc的指令確是定長(zhǎng)的，例如32位。

如果還有不清楚的。。。。。自行百度，要理解這些概念需要一點(diǎn)時(shí)間

一個(gè)CPU的基本結(jié)構(gòu)以及必要組件

這個(gè)例子引用自DE2開(kāi)發(fā)板套件帶的光盤(pán)上的Lab Exercise 9，我們從圖中可以看到，一個(gè)CPU包含了通用寄存器組R0~R7，一個(gè)ALU(算術(shù)邏輯單元)，指令寄存器IR，控制器(一般這部分是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)或者是用微指令實(shí)現(xiàn))，還有就是數(shù)據(jù)通路(圖中的連線)。當(dāng)然真正的CPU不可能只包含這么一點(diǎn)點(diǎn)組件，這是一個(gè)模型CPU，也就是說(shuō)只是說(shuō)明CPU的原理，真正復(fù)雜的CPU要涉及到很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和時(shí)序，例如虛擬模式需要使用一些特殊的寄存器、為了支持分頁(yè)需要使用頁(yè)表寄存器等，為了加速內(nèi)存的訪問(wèn)需要使用TLB，加速數(shù)據(jù)和指令的訪問(wèn)而使用data cache和instruction cache等等。。。。。當(dāng)然，那都是后面該考慮的，所以我們先從這個(gè)簡(jiǎn)單的部分開(kāi)始講起。

例子中能實(shí)現(xiàn)如下指令：

mv指令將Ry的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到Rx中，mvi將立即數(shù)D轉(zhuǎn)移到Rx當(dāng)中，add將Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不過(guò)執(zhí)行的是減法。

首先來(lái)說(shuō)明mv指令是如何執(zhí)行的：mv指令將Ry的值移入Rx寄存器當(dāng)中，這兩個(gè)寄存器都是由一組D觸發(fā)器構(gòu)成，而D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)取決于寄存器的寬度，就像32位機(jī)、64位機(jī)這樣，那他們的寄存器使用的D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)就是不一樣的。當(dāng)執(zhí)行mv rx,ry時(shí)，中間的多路器(圖中最大的那個(gè)multiplexer)選通Ry，讓Ry寄存器驅(qū)動(dòng)總線，這個(gè)時(shí)候Bus上的信號(hào)就是Ry的值;然后再看到R0~R7上分別有R0in~R7in信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是使能信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)有效時(shí)，在上升沿此觸發(fā)器會(huì)將din的數(shù)據(jù)輸入，所以說(shuō)到這里大家一定想到了，這個(gè)時(shí)候Rx觸發(fā)器上的Din信號(hào)就會(huì)變?yōu)橛行?，這樣過(guò)了一個(gè)時(shí)鐘周期后Ry的值就被送到了Rx當(dāng)中。

與mv指令類似，mvi指令也將一個(gè)數(shù)據(jù)送入Rx當(dāng)中，只不過(guò)這次的數(shù)據(jù)存在指令當(dāng)中，是立即數(shù)，所以Rx的Din信號(hào)會(huì)變?yōu)橛行?，而多路器?huì)選擇IR中的數(shù)據(jù)，因?yàn)閙vi指令的立即數(shù)存在指令當(dāng)中。并且進(jìn)行一定處理，例如擴(kuò)展等。

add指令會(huì)讓多路器先選擇Rx，然后Ain信號(hào)有效，這樣一個(gè)時(shí)鐘周期后，Rx數(shù)據(jù)被送入Alu的A寄存器當(dāng)中，這時(shí)多路器選擇Ry，addsub信號(hào)為add以指示ALU進(jìn)行加法操作，Gin有效讓G寄存器存放運(yùn)算結(jié)果，然后再過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期G當(dāng)中的數(shù)據(jù)就是Rx與Ry的和，這時(shí)多路器再選擇Gin，Rx的Din有效，過(guò)了一個(gè)時(shí)鐘周期后數(shù)據(jù)就被存放到Rx當(dāng)中了。

sub的過(guò)程與add差不多，不過(guò)addsub信號(hào)是sub指示ALU進(jìn)行減法。

我做的CPU模型

下面我就將我做的CPU模型的RTL網(wǎng)表發(fā)出來(lái)，代碼我會(huì)上傳的，但是這個(gè)還只能進(jìn)行仿真，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)候理念有問(wèn)題，出現(xiàn)了異步設(shè)計(jì)，而且出現(xiàn)了將狀態(tài)機(jī)的輸出作為另一個(gè)器件的時(shí)鐘端的錯(cuò)誤，所以這個(gè)模型只能用于仿真。我用的synplify pro綜合出的RTL，而狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是用的Quartus的FSM Viewer截下來(lái)的。

首先是整個(gè)系統(tǒng)的概覽：

這個(gè)比上面的那個(gè)簡(jiǎn)單模型復(fù)雜多了吧!但是別擔(dān)心，其實(shí)這個(gè)只是上面的那個(gè)CPU變得稍微復(fù)雜了一點(diǎn)，這個(gè)和上面那個(gè)不同的地方還有：這個(gè)CPU是一個(gè)多周期CPU而上面的Lab Exercise是一個(gè)單周期的CPU

下圖是程序計(jì)數(shù)器(PC)，也就是常見(jiàn)x86處理器里面的ip(instruction poiniter)：

紅色部分就是pc了，后面是一個(gè)三態(tài)橋，連接到了總線上面，這里的數(shù)據(jù)有時(shí)候是要送到地址總線，用于尋內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，以便完成Instruction Fetch過(guò)程。有時(shí)候又要送到通用寄存器的數(shù)據(jù)端，用于將pc的值送到其他寄存器。

下面這個(gè)是IR(Instruction Register)，這個(gè)是多周期處理器的典型特征，因?yàn)樘幚砥髟诘谝粋€(gè)周期里面將機(jī)器碼從內(nèi)存取出，然后存放到這個(gè)寄存器里面，后面的幾個(gè)狀態(tài)都是通過(guò)這個(gè)寄存器里面的數(shù)據(jù)作為指示執(zhí)行操作的。

下面介紹一下ALU，ALU是Arithmetic Logic Unit，即算術(shù)邏輯單元，這個(gè)裝置的作用是進(jìn)行算術(shù)操作和邏輯操作。典型的算術(shù)操作例如：1+1=2，11x23=253，而典型的邏輯操作例如：1 and 1=1，0 or 0 = 0,13=8這種屬于邏輯操作。

而從圖中大家也看得到，ALU的輸出用一根很長(zhǎng)的線連接到了后面，參考整個(gè)CPU的圖的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些線連到了通用寄存器上面，這是為了讓運(yùn)算的結(jié)果存放回去，例如你用add eax,1的時(shí)候，eax的值被加上1然后放回eax，所以ALU的運(yùn)算結(jié)果要用反饋送回到通用寄存器，而ALU的輸入也應(yīng)該有通用寄存器的輸出。

下面再介紹ADDRMUX：

這個(gè)部件是用來(lái)選擇地址的，右邊的輸出是CPU的地址總線，而CPU的地址總線就已經(jīng)送出CPU了(也就是你能夠在芯片的外表上看到引腳了)，CPU的地址總線是送到存儲(chǔ)器的地址端的，而現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是相當(dāng)復(fù)雜的，所以其實(shí)你家的計(jì)算機(jī)上CPU是通過(guò)北橋芯片訪問(wèn)內(nèi)存的(當(dāng)然也有將內(nèi)存控制器做到CPU里面的)左邊是地址的來(lái)源，地址的來(lái)源即有通用寄存器，也有程序計(jì)數(shù)器，還有一個(gè)是直接從IR里面送出，這是因?yàn)橛械牧⒓磾?shù)里面也包含內(nèi)存地址信息。

最后介紹通用寄存器：

通用寄存器的作用就是用來(lái)保存中間值或者用于運(yùn)算，例如

add eax,2

相當(dāng)于eax+2然后送回eax。

最后介紹一下?tīng)顟B(tài)機(jī)，這個(gè)部分就是CPU的“靈魂”，如果說(shuō)有了上面那些部件CPU有了一副“軀體”的話，這一部分就是CPU的“靈魂”了：

狀態(tài)機(jī)基本上與系統(tǒng)所有的組件都連接到一起了，因?yàn)樯厦嫠f(shuō)的所有動(dòng)作的執(zhí)行，都需要狀態(tài)機(jī)的控制，狀態(tài)機(jī)其實(shí)就是由一部分觸發(fā)器構(gòu)成的記憶電路和另外一部分組合邏輯構(gòu)成的次態(tài)譯碼電路構(gòu)成，還有根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入進(jìn)行譯碼的部分用于控制各個(gè)部件,下面是教科書(shū)上的典型FSM結(jié)構(gòu)：

而我們用的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

因?yàn)檫@個(gè)處理器設(shè)計(jì)的很簡(jiǎn)單，所以沒(méi)有出現(xiàn)很多狀態(tài)，當(dāng)處理器經(jīng)歷完以上的狀態(tài)之后，處理器就執(zhí)行完了一條指令。

有的CISC的處理器用微指令進(jìn)行控制，作用和狀態(tài)機(jī)相近，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一些比較古老的處理器上，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的設(shè)計(jì)工具和方法沒(méi)有現(xiàn)在的先進(jìn)，所以往往改動(dòng)硬件是困難的和高成本的，所以用微指令的話，做好了硬件的結(jié)構(gòu)，要是需要改動(dòng)只要修改微指令就好了，而現(xiàn)在的電子技術(shù)很發(fā)達(dá)，設(shè)計(jì)工具也很完備，所以就有很多直接通過(guò)硬連線實(shí)現(xiàn)的處理器。

好馬配好鞍，有了處理器，我們就得給它配上一個(gè)好的程序，下面我們就用自己設(shè)計(jì)的處理器進(jìn)行求和，從1加到100，因?yàn)槲覀儧](méi)有設(shè)計(jì)編譯器，也沒(méi)有設(shè)計(jì)匯編器，所以程序只能用機(jī)器碼寫(xiě)出，示例程序如下：

我們不妨先寫(xiě)出程序的匯編代碼：

mov [ADDR],r0;r0 = 0

mov r1,100

lop:add r2,r1

sub r1,1

cmp r1,0

jz ext

mov r4,4

jmp r4(lop)

ext:mov [ADDR],r2

jmp $

先將內(nèi)存中存放數(shù)據(jù)的地址清零，這樣才能存放等下送來(lái)的結(jié)果，然后將r1寄存器存入循環(huán)次數(shù)(也就是求和的上限)。然后再將r1的值加到r2中來(lái),r2其實(shí)就是放求和的寄存器，最后我們會(huì)將r2中的值送到內(nèi)存中的某個(gè)地址存放的。

然后將r1減去1，看看是否為0?如果為0則說(shuō)明求和結(jié)束了，如果不是0則說(shuō)明還要繼續(xù)，結(jié)束后程序就跳到ext部分將結(jié)果存放到內(nèi)存中某個(gè)地址(例子中給的是49152也就是二進(jìn)制的1100000000000000b)，最后jmp $是為了讓程序停在這一行，防止程序跑飛(跑飛的程序危害很大!有可能吧數(shù)據(jù)當(dāng)代碼或者把代碼當(dāng)數(shù)據(jù)!)

轉(zhuǎn)換成VerilogHDL語(yǔ)言如下：

module memory

(

input [15:0] addr,

inout [15:0] data,

input rw

);

reg [15:0] data_ram[0:16'b1111_1111_1111_1111];

integer i;

initial begin

for (i = 0; i = 16'b1111_1111_1111_1111; i = i + 1)

data_ram = $random();

data_ram[0] = 16'b1000000100000000; //mov [ADDR],r0;r0 = 0

data_ram[1] = 16'b1100000000000000; //ADDR

data_ram[2] = 16'b1000000010001000; //mov r1,100

data_ram[3] = 100; //100

//data_ram[2] = 16'b1110011001000000;

data_ram[4] = 16'b0010000100010001; //lop:add r2,r1

data_ram[5] = 16'b1110000011001000; //sub r1,1

data_ram[6] = 16'b0000000000000001; //1

data_ram[7] = 16'b1110000000001000; //cmp r1,0

data_ram[8] = 16'b0000000000000000; //0

data_ram[9] = 16'b1110011010000000; //jz ext

data_ram[10] = 16'b0000000000000011; //+3 offset(ext)

data_ram[11] = 16'b1000000010100000;//mov r4,4

data_ram[12] = 16'b0000000000000100;

data_ram[13] = 16'b0110011001100000;//jmp r4(lop)

data_ram[14] = 16'b1000000100000010;//ext:mov [ADDR],r2

data_ram[15] = 16'b1100000000000000;//ADDR

data_ram[16] = 16'b1110011001000000;//jmp $

data_ram[17] = 16'b1111111111111110;//-2 offset($)

/*data_ram[0] = 16'b1000000010000000; //mov r0,imm

data_ram[1] = 16'b0011111111111111; //imm

data_ram[2] = 16'b0000000001111000; //mov r7,r0

data_ram[3] = 16'b1000000010011000; //mov r3,0

data_ram[4] = 16'b0000000000000000;

data_ram[5] = 16'b1000000010100000; //mov r4,code of jmp r5

data_ram[6] = 16'b0110011001101000; //jmp r5

data_ram[7] = 16'b0000000101011100; //mov [r3],r4

data_ram[8] = 16'b1000000011110000; //mov r6,[0]

data_ram[9] = 16'b0000000000000000; //[0]

data_ram[10]= 16'b1000000100000110; //mov [255],r6

data_ram[11]= 16'b0000000011111111;

data_ram[12]= 16'b0110011001011000; //jmp r3

*/

end

always @ (addr or rw or data)

if (rw)

data_ram[addr] = data;

assign data = rw ? 16'hzzzz : data_ram[addr];

endmodule

設(shè)計(jì)中CPU外圍還需要一個(gè)內(nèi)存設(shè)備(Memory)，我用HDL對(duì)其建模，初始化的時(shí)候每個(gè)內(nèi)存地址上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都初始化為隨機(jī)的，然后只有從0開(kāi)始的一系列地址被初始化為我寫(xiě)的代碼，機(jī)器碼對(duì)應(yīng)的匯編指令在注釋中已經(jīng)給出。

然后是結(jié)果，結(jié)果應(yīng)該是r2從0變化到5050(1+2+3+......+100=5050)

而r1則從100變化到0，變化到0后程序?qū)⑦M(jìn)入死循環(huán)，停止在jmp $那一條。這是仿真開(kāi)始的時(shí)候：

大家可以看到初始化后，d0~d7都變成了0，這是r0~r7寄存器的Q端，而state_current和state_next則是狀態(tài)機(jī)的現(xiàn)態(tài)和狀態(tài)機(jī)的次態(tài)，cpu的各個(gè)部件都通過(guò)這個(gè)狀態(tài)機(jī)受到控制。狀態(tài)名出現(xiàn)的順序和上面的FSM Viewer的連線順序是一樣的。

而且大家可以看到，d2從0變化到了0x64也就是十進(jìn)制100，說(shuō)明已經(jīng)執(zhí)行了第一次加法了。

再來(lái)看看仿真結(jié)束：

這時(shí)候d1變化到了0而d2變化到了0x13ba(十進(jìn)制的5050)，說(shuō)明程序已經(jīng)在我們?cè)O(shè)計(jì)的處理器里面運(yùn)行并且成功的得出了結(jié)果!

最后給出一些我用到的指令(跟x86的很像)：

add dst,src 將src和dst相加并且送到dst寄存器中

mov [addr],src 將src的值送到以addr位地址的內(nèi)存單元

sub dst,src 將dst減去src并且送到dst中去

cmp dst,src 將dst減去src 然后不送到dst中 只改變標(biāo)志位

jz dst 當(dāng)zf=1時(shí)(即上次的算術(shù)操作結(jié)果為0)則跳轉(zhuǎn)到dst中去

最后再提一下：

我是用synplify綜合的電路，然后用debussy+modelsim仿真的，

相關(guān)資料請(qǐng)參考：

CPU邏輯設(shè)計(jì)，朱子玉，李亞民著

Lab Exercise 9出自DE2的開(kāi)發(fā)光盤(pán)