基于狀態(tài)機(jī)的簡易RISC CPU設(shè)計

一、什么是CPU？

CPU即中央處理單元的英文縮寫，它是計算機(jī)的核心部件。計算機(jī)進(jìn)行信息處理可分為兩個步驟：

將數(shù)據(jù)和程序（即指令序列）輸入到計算機(jī)的存儲器中。

從第一條指令的地址起開始執(zhí)行該程序，得到所需結(jié)果，結(jié)束運(yùn)行。CPU的作用是協(xié)調(diào)并控制計算機(jī)的各個部件執(zhí)行程序的指令序列，使其有條不紊地進(jìn)行。因此它必須具有以下基本功能：

a)取指令：當(dāng)程序已在存儲器中時，首先根據(jù)程序入口地址取出一條程序，為此要發(fā)出指令地址及控制信號。

b)分析指令：即指令譯碼。是對當(dāng)前取得的指令進(jìn)行分析，指出它要求什么操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制命令。

c)執(zhí)行指令：根據(jù)分析指令時產(chǎn)生的“操作命令”形成相應(yīng)的操作控制信號序列，通過運(yùn)算器，存儲器及輸入/輸出設(shè)備的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，其中包括對運(yùn)算結(jié)果的處理以及下條指令地址的形成。

將其功能進(jìn)一步細(xì)化，可概括如下：

能對指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動作；

可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算；

能與存儲器，外設(shè)交換數(shù)據(jù)；

提供整個系統(tǒng)所需要的控制；

盡管各種CPU的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)各不相同，但它們所能完成的基本功能相同。由功能分析，可知任何一種CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)至少應(yīng)包含下面這些部件：

算術(shù)邏輯運(yùn)算部件（ALU），

累加器，

程序計數(shù)器，

指令寄存器，譯碼器，

時序和控制部件。

RISC即精簡指令集計算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer）的縮寫。它是一種八十年代才出現(xiàn)的CPU，與一般的CPU相比不僅只是簡化了指令系統(tǒng)，而且是通過簡化指令系統(tǒng)使計算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高了運(yùn)算速度。從實(shí)現(xiàn)的途徑看，RISC_CPU與一般的CPU的不同處在于：它的時序控制信號形成部件是用硬布線邏輯實(shí)現(xiàn)的而不是采用微程序控制的方式。所謂硬布線邏輯也就是用觸發(fā)器和邏輯門直接連線所構(gòu)成的狀態(tài)機(jī)和組合邏輯，故產(chǎn)生控制序列的速度比用微程序控制方式快得多，因為這樣做省去了讀取微指令的時間。RISC_CPU也包括上述這些部件，下面就詳細(xì)介紹一個簡化的用于教學(xué)目的的RISC_CPU的可綜合VerilogHDL模型的設(shè)計和仿真過程。

二、RISC CPU結(jié)構(gòu)

RISC_CPU是一個復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路，但是它的基本部件的邏輯并不復(fù)雜。可把它分成八個基本部件：

時鐘發(fā)生器

指令寄存器

累加器

RISC CPU算術(shù)邏輯運(yùn)算單元

數(shù)據(jù)控制器

狀態(tài)控制器

程序計數(shù)器

地址多路器

其中時鐘發(fā)生器利用外來時鐘信號進(jìn)行分頻生成一系列時鐘信號，送往其他部件用作時鐘信號。各部件之間的相互操作關(guān)系則由狀態(tài)控制器來控制。下面逐一介紹各部件的具體結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系。

1 時鐘發(fā)生器

時鐘發(fā)生器clkgen利用外來時鐘信號clk來生成一系列時鐘信號clk1、fetch、alu_clk送往CPU的其他部件。其中fetch是外來時鐘clk的八分頻信號。利用fetch的上升沿來觸發(fā)CPU控制器開始執(zhí)行一條指令，同時fetch信號還將控制地址多路器輸出指令地址和數(shù)據(jù)地址。clk1信號用作指令寄存器、累加器、狀態(tài)控制器的時鐘信號。alu_clk則用于觸發(fā)算術(shù)邏輯運(yùn)算單元。時鐘發(fā)生器clkgen的波形見下圖所示：

其VerilogHDL程序見下面的模塊：

由于在時鐘發(fā)生器的設(shè)計中采用了同步狀態(tài)機(jī)的設(shè)計方法，不但使clk_gen模塊的源程序可以被各種綜合器綜合，也使得由其生成的clk1、clk2、clk4、fetch、alu_clk在跳變時間同步性能上有明顯的提高，為整個系統(tǒng)的性能提高打下了良好的基礎(chǔ)。

2 指令寄存器

顧名思義，指令寄存器用于寄存指令。指令寄存器的觸發(fā)時鐘是clk1，在clk1的正沿觸發(fā)下，寄存器將數(shù)據(jù)總線送來的指令存入高8位或低8位寄存器中。但并不是每個clk1的上升沿都寄存數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)總線上有時傳輸指令，有時傳輸數(shù)據(jù)。什么時候寄存，什么時候不寄存由CPU狀態(tài)控制器的load_ir信號控制。load_ir信號通過ena口輸入到指令寄存器。復(fù)位后，指令寄存器被清為零。每條指令為2個字節(jié)，即16位。高3位是操作碼，低13位是地址。（CPU的地址總線為13位，尋址空間為8K字節(jié)。）本設(shè)計的數(shù)據(jù)總線為8位，所以每條指令需取兩次。先取高8位，后取低8位。而當(dāng)前取的是高8位還是低8位，由變量state記錄。state為零表示取的高8位，存入高8位寄存器，同時將變量state置為1。下次再寄存時，由于state為1，可知取的是低8位，存入低8位寄存器中。

其VerilogHDL程序見下面的模塊：

3.累加器

累加器用于存放當(dāng)前的結(jié)果，它也是雙目運(yùn)算其中一個數(shù)據(jù)來源。復(fù)位后，累加器的值是零。當(dāng)累加器通過ena口收到來自CPU狀態(tài)控制器load_acc信號時，在clk1時鐘正跳沿時就收到來自于數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)。其VerilogHDL程序見下面的模塊:

4.算術(shù)運(yùn)算器

算術(shù)邏輯運(yùn)算單元根據(jù)輸入的8種不同操作碼分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加、與、異或、跳轉(zhuǎn)等8種基本操作運(yùn)算。利用這幾種基本運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)很多種其它運(yùn)算以及邏輯判斷等操作。其VerilogHDL程序見下面的模塊：

5.數(shù)據(jù)控制器

數(shù)據(jù)控制器的作用是控制累加器數(shù)據(jù)輸出，由于數(shù)據(jù)總線是各種操作時傳送數(shù)據(jù)的公共通道，不同的情況下傳送不同的內(nèi)容。有時要傳輸指令，有時要傳送RAM區(qū)或接口的數(shù)據(jù)。累加器的數(shù)據(jù)只有在需要往RAM區(qū)或端口寫時才允許輸出，否則應(yīng)呈現(xiàn)高阻態(tài)，以允許其它部件使用數(shù)據(jù)總線。所以任何部件往總線上輸出數(shù)據(jù)時，都需要一控制信號。而此控制信號的啟、停，則由CPU狀態(tài)控制器輸出的各信號控制決定。數(shù)據(jù)控制器何時輸出累加器的數(shù)據(jù)則由狀態(tài)控制器輸出的控制信號datactl_ena決定。其VerilogHDL程序見下面的模塊:

6.地址多路器

地址多路器用于選擇輸出的地址是PC（程序計數(shù)）地址還是數(shù)據(jù)/端口地址。每個指令周期的前4個時鐘周期用于從ROM中讀取指令，輸出的應(yīng)是PC地址。后4個時鐘周期用于對RAM或端口的讀寫，該地址由指令中給出。地址的選擇輸出信號由時鐘信號的8分頻信號fetch提供。其VerilogHDL程序見下面的模塊：

7.程序計數(shù)器

程序計數(shù)器用于提供指令地址。以便讀取指令，指令按地址順序存放在存儲器中。有兩種途徑可形成指令地址：其一是順序執(zhí)行的情況，其二是遇到要改變順序執(zhí)行程序的情況，例如執(zhí)行JMP指令后，需要形成新的指令地址。復(fù)位后，指令指針為零，即每次CPU重新啟動將從ROM的零地址開始讀取指令并執(zhí)行。每條指令執(zhí)行完需2個時鐘，這時pc_addr已被增2，指向下一條指令。（因為每條指令占兩個字節(jié)。）如果正執(zhí)行的指令是跳轉(zhuǎn)語句，這時CPU狀態(tài)控制器將會輸出load_pc信號，通過load口進(jìn)入程序計數(shù)器。程序計數(shù)器（pc_addr）將裝入目標(biāo)地址（ir_addr），而不是增2。其VerilogHDL程序見下面的模塊：

8.狀態(tài)控制器

狀態(tài)控制器由兩部分組成：

狀態(tài)機(jī)(上圖中的MACHINE部分)

狀態(tài)控制器(上圖中的MACHINECTL部分)

狀態(tài)機(jī)控制器接受復(fù)位信號RST，當(dāng)RST有效時通過信號ena使其為0，輸入到狀態(tài)機(jī)中停止?fàn)顟B(tài)機(jī)的工作。狀態(tài)控制器的VerilogHDL程序見下面模塊：

狀態(tài)機(jī)是CPU的控制核心，用于產(chǎn)生一系列的控制信號，啟動或停止某些部件。CPU何時進(jìn)行讀指令讀寫I/O端口，RAM區(qū)等操作，都是由狀態(tài)機(jī)來控制的。狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，由變量state記錄，state的值就是當(dāng)前這個指令周期中已經(jīng)過的時鐘數(shù)（從零計起）。指令周期是由8個時鐘周期組成，每個時鐘周期都要完成固定的操作。

第0個時鐘，因為CPU狀態(tài)控制器的輸出：rd和load_ir為高電平，其余均為低電平。指令寄存器寄存由ROM送來的高8位指令代碼。

第1個時鐘，與上一時鐘相比只是inc_pc從0變?yōu)?故PC增1，ROM送來低8位指令代碼，指令寄存器寄存該8位代碼。

第2個時鐘，空操作。

第3個時鐘，PC增1，指向下一條指令。若操作符為HLT，則輸出信號HLT為高。如果操作符不為HLT，除了PC增一外（指向下一條指令），其它各控制線輸出為零。

第4個時鐘，若操作符為AND、ADD、XOR或LDA，讀相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)；若為JMP，將目的地址送給程序計數(shù)器；若為STO，輸出累加器數(shù)據(jù)。

第5個時鐘，若操作符為ANDD、ADD或XORR，算術(shù)運(yùn)算器就進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算；若為LDA，就把數(shù)據(jù)通過算術(shù)運(yùn)算器送給累加器；若為SKZ，先判斷累加器的值是否為0，如果為0，PC就增1，否則保持原值；若為JMP，鎖存目的地址；若為STO，將數(shù)據(jù)寫入地址處。

第6個時鐘，空操作。

第7個時鐘，若操作符為SKZ且累加器值為0，則PC值再增1，跳過一條指令，否則PC無變化。

狀態(tài)機(jī)的VerilogHDL程序見下面模塊：

9.外圍模塊

為了對RISC_CPU進(jìn)行測試，需要有存儲測試程序的ROM和裝載數(shù)據(jù)的RAM、地址譯碼器。下面來簡單介紹一下：

地址譯碼器

地址譯碼器用于產(chǎn)生選通信號，選通ROM或RAM。FFFFH---1800H RAM1800H---0000H ROM

ROM用于裝載測試程序，可讀不可寫。RAM用于存放數(shù)據(jù)，可讀可寫。

三、RISC CPU中各部件的相互連接關(guān)系

四、RISC CPU和它的外圍電路

五、RISC CPU的尋址方式和指令系統(tǒng)

RISC_CPU的指令格式一律為：

指令系統(tǒng)僅由8條指令組成：

1)HLT停機(jī)操作。該操作將空一個指令周期，即8個時鐘周期。

2)SKZ為零跳過下一條語句。該操作先判斷當(dāng)前alu中的結(jié)果是否為零，若是零就跳過下一條語句，否則繼續(xù)執(zhí)行。

3)ADD相加。該操作將累加器中的值與地址所指的存儲器或端口的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果仍送回累加器中。

4)AND相與。該操作將累加器的值與地址所指的存儲器或端口的數(shù)據(jù)相與，結(jié)果仍送回累加器中。

5)XOR異或。該操作將累加器的值與指令中給出地址的數(shù)據(jù)異或，結(jié)果仍送回累加器中。

6)LDA讀數(shù)據(jù)。該操作將指令中給出地址的數(shù)據(jù)放入累加器。

7)STO寫數(shù)據(jù)。該操作將累加器的數(shù)據(jù)放入指令中給出的地址。

8)JMP無條件跳轉(zhuǎn)語句。該操作將跳轉(zhuǎn)至指令給出的目的地址，繼續(xù)執(zhí)行。

RISC_CPU是8位微處理器，一律采用直接尋址方式，即數(shù)據(jù)總是放在存儲器中，尋址單元的地址由指令直接給出。這是最簡單的尋址方式。

六、RISC CPU的操作和時序

一個微機(jī)系統(tǒng)為了完成自身的功能，需要CPU執(zhí)行許多操作。以下是RISC_CPU的主要操作：

1.系統(tǒng)的復(fù)位和啟動操作

2.總線讀操作

3.總線寫操作

下面詳細(xì)介紹一下每個操作：

1.系統(tǒng)的復(fù)位和啟動操作

RISC_CPU的復(fù)位和啟動操作是通過rst引腳的信號觸發(fā)執(zhí)行的。當(dāng)rst信號一進(jìn)入高電平，RISC_CPU就會結(jié)束現(xiàn)行操作，并且只要rst停留在高電平狀態(tài)，CPU就維持在復(fù)位狀態(tài)。在復(fù)位狀態(tài)，CPU各內(nèi)部寄存器都被設(shè)為初值，全部為零。數(shù)據(jù)總線為高阻態(tài)，地址總線為0000H，所有控制信號均為無效狀態(tài)。rst回到低電平后，接著到來的第一個fetch上升沿將啟動RISC_CPU開始工作，從ROM的000處開始讀取指令并執(zhí)行相應(yīng)操作。波形圖如下圖所示。虛線標(biāo)志處為RISC_CPU啟動工作的時刻。

RISC_CPU的復(fù)位和啟動操作波形

2.總線讀操作

每個指令周期的前0--3個時鐘周期用于讀指令，在狀態(tài)控制器一節(jié)中已詳細(xì)講述，這里就不再重復(fù)。第3.5個周期處，存儲器或端口地址就輸出到地址總線上，第4--6個時鐘周期，讀信號rd有效，數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，以備累加器鎖存，或參與算術(shù)、邏輯運(yùn)算。第7個時鐘周期，讀信號無效，第7.5個周期，地址總線輸出PC地址，為下一個指令做好準(zhǔn)備。

CPU從存儲器或端口讀取數(shù)據(jù)的時序

3 寫總線操作

每個指令周期的第3.5個時鐘周期處，寫的地址就建立了，第4個時鐘周期輸出數(shù)據(jù)，第5個時鐘周期輸出寫信號。至第6個時鐘結(jié)束，數(shù)據(jù)無效，第7.5時鐘地址輸出為PC地址，為下一個指令周期做好準(zhǔn)備。