大師教你如何制作一個簡單的16位CPU

如何制作一個簡單的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.

如果想要制作一個CPU，首先得明白下計算機的組成結(jié)構(gòu)（或者計算機的替代品，因為并不是只有計算機有CPU，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品都很先進，很多設備例如手機、洗衣機甚至電 視和你家的汽車上面都得裝一個CPU），數(shù)字電路基礎，還最好有點編程的基礎（當然，沒有也沒關系，這些知識都很容易獲得，各種書上面都會提到，并且在接下來的過程中我會提到這些知識）

我們要實現(xiàn)的是一個RISC指令集的CPU，并且我們最后要自己為這個CPU設計指令并且編碼。

首先我們來聽個故事，關于CPU的誕生的故事：

日本客戶希望英特爾幫助他們設計和生產(chǎn)八種專用集成電路芯片，用于實現(xiàn)桌面計算器。英特爾的工程師發(fā)現(xiàn)這樣做有兩個很大的問題。第一，英特爾已經(jīng)在全力開發(fā) 三種內(nèi)存芯片了，沒有人力再設計八種新的芯片。第二，用八種芯片實現(xiàn)計算器，將大大超出預算成本。英特爾的一個名叫特德?霍夫（Ted Hoff）的工程師仔細分析了日本同行的設計，他發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象。這八塊芯片各實現(xiàn)一種特定的功能。當用戶使用計算器時，這些功能并不是同時都需要的。比 如，如果用戶需要計算100個數(shù)的和，他會重復地輸入一個數(shù)，再做一次加法，一共做100次，最后再打印出來。負責輸入、加法和打印的電路并不同時工作。 這樣，當一塊芯片在工作時，其他芯片可能是空閑的。

霍夫有了一個想法：為什么不能用一塊通用的芯片加上程序來實現(xiàn)幾塊芯片的功能呢？當需要某種功能時，只需要把實現(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完全一樣。

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

看完這個故事后，可以總結(jié)：CPU是一種用來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，這個就智者見智了，我在接下來的例子中也會說明我的想法）。

然后考慮如下這個例子：

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，以上三個例子都產(chǎn)生了一個從0不斷增加的序列，而且前兩個例子會一直加到溢出又從0開始（這個取決于計算機的字長也就是多少位的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c程序則看不同編譯器和不同平臺不一樣），后面那個例子則看你用的是什么樣的加法器和多少個D觸發(fā)器

那問題就來了，我假設要一個遞減的序列怎么辦呢？前兩個例子很好解釋，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，修改了代碼之后，它就會如你所愿的執(zhí)行。

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

例2-3:

問題就來了，你在鍵盤上敲兩下可不能改變實際電路！上面（例1-3）中是個加法器，但是跑到這里卻變成了減法器（例2-3）！

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

這個問題能被解決嗎？答案是能！

請看例3：

這個例子中使用了一個加法器一個減法器，沒比上面的電路省（顯然。。。。難道你想用減法器做加法器的功能？不可能吧！當然，加上一個負數(shù)的補碼確實就是減去 一個數(shù)，但是這里先不考慮這種問題），多了一組多路器，少了一組D觸發(fā)器。總的來說，優(yōu)勢還是明顯的（兩塊電路板和一塊電路板的差別）。

而sel信號就是用來選擇的（0是遞增，1是遞減）。

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

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

而CPU的基本思想，我認為就是這樣的。

接下來我們就分析CPU的結(jié)構(gòu)和各個部件，然后實現(xiàn)這個CPU。

什么是單周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC

首先大家得有時鐘的概念：這個問題不好解釋 啊。。。。。。可以理解為家里面的機械鐘，上上電池之后就會滴答滴答走，而它“滴答滴答”的速度就是頻率，滴答一下用的時間就是周期，而人的工作，下班， 吃飯和學習娛樂都是按照時鐘的指示來進行的（熬夜的網(wǎng)癮少年不算），一般來說，時鐘信號都是由晶體振蕩器產(chǎn)生的，0101交替的信號（低電平和高電平）。

數(shù)字電路都需要一個“時鐘”來驅(qū)動，就像演奏交響樂的時候需要一個指揮家在前面指揮一樣，所有的人都會跟著指揮的拍子來演奏，就像數(shù)字電路中所有的部件都會跟著時鐘節(jié)拍工作一樣。

如下是一個理想的時鐘信號：（注意是理想的）。

當然，實際的時鐘信號可能遠沒有這么理想，可能上升沿是斜的，而且占空比也可能不是50%，有抖動，有偏移（相對于兩個器件），可能因為導線的寄生電容效應變得走形。

上面那段如果沒聽懂也沒關系~~~反正就是告訴你，實際的時鐘信號測出來肯定沒這么標準。

而 cpu的工作頻率，是外頻與倍頻的積（cpu究竟怎么算頻率,其實這個我也不太清楚呵呵），因為cpu是通過外部的晶振產(chǎn)生一個時鐘信號，然后再通過內(nèi)部 的電路（鎖相環(huán)），倍頻至需要的頻率。當然，有人問，為什么要這么麻煩呢？直接在電路外邊做個時鐘晶振能產(chǎn)生那么高的時鐘信號就可以了嘛，這個是可以的， 在某些簡單的系統(tǒng)上（例如51單片姬）就是這樣的，但是計算姬的cpu比較復雜，因為一些原因所以必須要做到cpu內(nèi)。

下面簡單說一下CPU的兩種指令集：CISC和RISC。

說下我的看法（個人看法，如有錯誤還請高手指正）：

RISC是Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機，典型例子是MIPS處理器。

CISC 是Complex Instruction Set Compute，復雜指令集計算機，典型例子是x86系列處理器（當然現(xiàn)在的x86指令還是當初cisc的指令，但是實際處理器的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)變成了 risc結(jié)構(gòu)了，risc的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)流水線等特性比較容易，在計算機前的你如果用的是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行，而RISC全部是通過硬連線實現(xiàn)的， 也就是說，當cisc的處理器在執(zhí)行你的程序前，還得先從另外一個rom里面讀出一些數(shù)據(jù)來“指導”處理器怎么處理你的命令，所以cisc效率比較低，而 risc是完全通過部件和部件之間的連接實現(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。cisc的寄存器數(shù)量較少，指令能夠?qū)?現(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，例如：

以nios嵌入式處理器來說明，nios處理器有32個通用寄存器（r0~r31），而指令功能相對x86的弱一些，而且x86進行內(nèi)存訪問是直接使用mov指令，nios處理器讀內(nèi)存用的是load，寫內(nèi)存用的是store，

二者響應中斷的方式也不一樣，舉一個典型的例子，x86的處理器將中斷向量表放在了內(nèi)存的最低地址（0-1023，每個中斷向量占四個字節(jié)），能容納256 個中斷（以實模式的8086舉例）響應中斷時，將中斷號對應的地址上的cs和ip的值裝入到cs和ip寄存器而將原來的地址保存，并且保存狀態(tài)寄存器然后 進入中斷處理，而risc則擁有一個共同的中斷響應函數(shù)，這個函數(shù)會根據(jù)中斷號找到程序向系統(tǒng)注冊的函數(shù)的地址，并且調(diào)用這個函數(shù)。一般來說而是用的 cisc指令的長度是不定的，例如x86的xor ax,bx對應機器碼是0x31d8、而push ax是0x50、pop cx是0x59。而risc的指令確是定長的，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時間

一個CPU的基本結(jié)構(gòu)以及必要組件

這個例子引用自DE2開發(fā)板套件帶的光盤上的Lab Exercise 9，我們從圖中可以看到，一個CPU包含了通用寄存器組R0~R7，一個ALU（算術邏輯單元），指令寄存器IR，控制器（一般這部分是一個有限狀態(tài)機或 者是用微指令實現(xiàn)），還有就是數(shù)據(jù)通路（圖中的連線）。當然真正的CPU不可能只包含這么一點點組件，這是一個模型CPU，也就是說只是說明CPU的原 理，真正復雜的CPU要涉及到很多復雜的結(jié)構(gòu)和時序，例如虛擬模式需要使用一些特殊的寄存器、為了支持分頁需要使用頁表寄存器等，為了加速內(nèi)存的訪問需要 使用TLB，加速數(shù)據(jù)和指令的訪問而使用data cache和instruction cache等等。。。。。當然，那都是后面該考慮的，所以我們先從這個簡單的部分開始講起。

例子中能實現(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當中，add將Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不過執(zhí)行的是減法。

首先來說明mv指令是如何執(zhí)行的：mv指令將Ry的值移入Rx寄存器當中，這兩個寄存器都是由一組D觸發(fā)器構(gòu)成，而D觸發(fā)器的個數(shù)取決于寄存器的寬度，就像 32位機、64位機這樣，那他們的寄存器使用的D觸發(fā)器的個數(shù)就是不一樣的。當執(zhí)行mv rx,ry時，中間的多路器(圖中最大的那個multiplexer)選通Ry，讓Ry寄存器驅(qū)動總線，這個時候Bus上的信號就是Ry的值；然后再看到 R0~R7上分別有R0in~R7in信號，這個信號是使能信號，當這個信號有效時，在上升沿此觸發(fā)器會將din的數(shù)據(jù)輸入，所以說到這里大家一定想到 了，這個時候Rx觸發(fā)器上的Din信號就會變?yōu)橛行В@樣過了一個時鐘周期后Ry的值就被送到了Rx當中。

與mv指令類似，mvi指令也將一個數(shù)據(jù)送入Rx當中，只不過這次的數(shù)據(jù)存在指令當中，是立即數(shù)，所以Rx的Din信號會變?yōu)橛行В嗦菲鲿x擇IR中的數(shù)據(jù)，因為mvi指令的立即數(shù)存在指令當中。并且進行一定處理，例如擴展等。

add 指令會讓多路器先選擇Rx，然后Ain信號有效，這樣一個時鐘周期后，Rx數(shù)據(jù)被送入Alu的A寄存器當中，這時多路器選擇Ry，addsub信號為 add以指示ALU進行加法操作，Gin有效讓G寄存器存放運算結(jié)果，然后再過一個時鐘周期G當中的數(shù)據(jù)就是Rx與Ry的和，這時多路器再選擇 Gin，Rx的Din有效，過了一個時鐘周期后數(shù)據(jù)就被存放到Rx當中了。

sub的過程與add差不多，不過addsub信號是sub指示ALU進行減法。

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，代碼我會上傳的，但是這個還只能進行仿真，因為設計 的時候理念有問題，出現(xiàn)了異步設計，而且出現(xiàn)了將狀態(tài)機的輸出作為另一個器件的時鐘端的錯誤，所以這個模型只能用于仿真。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截下來的。

首先是整個系統(tǒng)的概覽：

這個比上面的那個簡單模型復雜多了吧！但是別擔心，其實這個只是上面的那個CPU變得稍微復雜了一點，這個和上面那個不同的地方還有：這個CPU是一個多周期CPU而上面的Lab Exercise是一個單周期的CPU

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

紅色部分就是pc了，后面是一個三態(tài)橋，連接到了總線上面，這里的數(shù)據(jù)有時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過程。有時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。

下面這個是IR（Instruction Register），這個是多周期處理器的典型特征，因為處理器在第一個周期里面將機器碼從內(nèi)存取出，然后存放到這個寄存器里面，后面的幾個狀態(tài)都是通過這個寄存器里面的數(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，即算術邏輯單元，這個裝置的作用是進行算術操作和邏輯操作。典型的算術操作例

如：1+1=2，11x23=253，而典型的邏輯操作例如：1 and 1=1，0 or 0 = 0,1<<3=8這種屬于邏輯操作。

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

下面再介紹ADDRMUX：

這個部件是用來選擇地址的，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器的地址端的，而現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)實際上是相當復雜的，所以其實你家的計算機上CPU是通過北橋芯片訪問內(nèi)存的（當然也有將內(nèi)存控制器做到 CPU里面的）左邊是地址的來源，地址的來源即有通用寄存器，也有程序計數(shù)器，還有一個是直接從IR里面送出，這是因為有的立即數(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保存中間值或者用于運算，例如

add eax,2

相當于eax+2然后送回eax。

最后介紹一下狀態(tài)機，這個部分就是CPU的“靈魂”，如果說有了上面那些部件CPU有了一副“軀體”的話，這一部分就是CPU的“靈魂”了：

狀態(tài)機基本上與系統(tǒng)所有的組件都連接到一起了，因為上面所說的所有動作的執(zhí)行，都需要狀態(tài)機的控制，狀態(tài)機其實就是由一部分觸發(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)當前狀態(tài)和輸入進行譯碼的部分用于控制各個部件,下面是教科書上的典型FSM結(jié)構(gòu)：

而我們用的狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

因為這個處理器設計的很簡單，所以沒有出現(xiàn)很多狀態(tài)，當處理器經(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行控制，作用和狀態(tài)機相近，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一些比較古老的處理器上，因為那個時候的設計工具和方法沒有現(xiàn)在的先進，所以往往 改動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)，要是需要改動只要修改微指令就好了，而現(xiàn)在的電子技術很發(fā)達，設計工具也很完備，所以 就有很多直接通過硬連線實現(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好的程序，下面我們就用自己設計的處理器進行求和，從1加到100，因為我們沒有設計編譯器，也沒有設計匯編器，所以程序只能用機器碼寫出，示例程序如下：

我們不妨先寫出程序的匯編代碼：

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,r2其實就是放求和的寄存器，最后我們會將r2中的值送到內(nèi)存中的某個地址存放的。

然 后將r1減去1，看看是否為0？如果為0則說明求和結(jié)束了，如果不是0則說明還要繼續(xù)，結(jié)束后程序就跳到ext部分將結(jié)果存放到內(nèi)存中某個地址（例子中給 的是49152也就是二進制的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)當代碼或者把代碼當數(shù)據(jù)?。?/p>

轉(zhuǎn)換成VerilogHDL語言如下：

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[i] = $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

設計中CPU外圍還需要一個內(nèi)存設備（Memory），我用HDL對其建模，初始化的時候每個內(nèi)存地址上對應的數(shù)據(jù)都初始化為隨機的，然后只有從0開始的一系列地址被初始化為我寫的代碼，機器碼對應的匯編指令在注釋中已經(jīng)給出。

然后是結(jié)果，結(jié)果應該是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入死循環(huán)，停止在jmp $那一條。這是仿真開始的時候：

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

再來看看仿真結(jié)束：

這時候d1變化到了0而d2變化到了0x13ba(十進制的5050)，說明程序已經(jīng)在我們設計的處理器里面運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 只改變標志位

jz dst 當***=1時(即上次的算術操作結(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，