大师教你如何制作一个简单的16位CPU
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这 个例子中使用了一个加法器一个减法器，没比上面的电路省（显然。。。。难道你想用减法器做加法器的功能？不可能吧！当然，加上 一个负数的补码确实就是减去 一个数，但是这里先不考虑这种问题），多了一组多路器，少了一组D触发器。总的来说，优势还是明显的 （两块电路板和一块电路板的差别）。 而sel信号就是用来选择的（0是递增，1是递减）。 如果我们把sel信号看做“程序”的话，这个电路就像一个“CPU”能根据“程序”执行不同的“操作”，这样的话，通过“程序”（sel 信号），这个电路就能够实现复用。 根据上面的结论，我认为（仅仅是个人认为啊~）：程序就是硬件电路的延伸！ 而CPU的基本思想，我认为就是这样的。 接下来我们就分析CPU的结构和各个部件，然后实现这个CPU。 【分页导航】
mv指令将Ry的数据转移到Rx中，mvi将立即数D转移到Rx当中，add将Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不过执行的是减法。 首 先来说明mv指令是如何执行的：mv指令将Ry的值移入Rx寄存器当中，这两个寄存器都是由一组D触发器构成，而D触发器的个数取决 于寄存器的宽度，就像 32位机、64位机这样，那他们的寄存器使用的D触发器的个数就是不一样的。当执行mv rx,ry时，中间的多路器(图 中最大的那个multiplexer)选通Ry，让Ry寄存器驱动总线，这个时候Bus上的信号就是Ry的值；然后再看到 R0~R7上分别有R0in~R7in信 号，这个信号是使能信号，当这个信号有效时，在上升沿此触发器会将din的数据输入，所以说到这里大家一定想到 了，这个时候Rx触发 器上的Din信号就会变为有效，这样过了一个时钟周期后Ry的值就被送到了Rx当中。 与mv指令类似，mvi指令也将一个数据送入Rx当中，只不过这次的数据存在指令当中，是立即数，所以Rx的Din信号会变为有效，而多路 器会选择IR中的数据，因为mvi指令的立即数存在指令当中。并且进行一定处理，例如扩展等。 add 指令会让多路器先选择Rx，然后Ain信号有效，这样一个时钟周期后，Rx数据被送入Alu的A寄存器当中，这时多路器选择 Ry，addsub信号为 add以指示ALU进行加法操作，Gin有效让G寄存器存放运算结果，然后再过一个时钟周期G当中的数据就是Rx与Ry的 和，这时多路器再选择 Gin，Rx的Din有效，过了一个时钟周期后数据就被存放到Rx当中了。 sub的过程与add差不多，不过addsub信号是sub指示ALU进行减法。 【分页导航】
当然，实际的时钟信号可能远没有这么理想，可能上升沿是斜的，而且占空比也可能不是50%，有抖动，有偏移（相对于两个器件），可 能因为导线的寄生电容效应变得走形。 上面那段如果没听懂也没关系~~~反正就是告诉你，实际的时钟信号测出来肯定没这么标准。 而 cpu的工作频率，是外频与倍频的积（cpu究竟怎么算频率,其实这个我也不太清楚呵呵），因为cpu是通过外部的晶振产生一个时钟信 号，然后再通过内部 的电路（锁相环），倍频至需要的频率。当然，有人问，为什么要这么麻烦呢？直接在电路外边做个时钟晶振能产生 那么高的时钟信号就可以了嘛，这个是可以的， 在某些简单的系统上（例如51单片姬）就是这样的，但是计算姬的cpu比较复杂，因为一 些原因所以必须要做到cpu内。 下面简单说一下CPU的两种指令集：CISC和RISC。 说下我的看法（个人看法，如有错误还请高手指正）： RISC是Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机，典型例子是MIPS处理器。 CISC 是Complex Instruction Set Compute，复杂指令集计算机，典型例子是x86系列处理器（当然现在的x86指令还是当初cisc的指 令，但是实际处理器的结构都已经变成了 risc结构了，risc的结构实现流水线等特性比较容易，在计算机前的你如果用的是intel某系列的 处理器，则它使用的指令集看上去还是像cisc的 指令，但是实际上你的cpu的结构已经是risc的了）。 一般CISC的处理器需要用微指令配合运行，而RISC全部是通过硬连线实现的， 也就是说，当cisc的处理器在执行你的程序前，还得先从另 外一个rom里面读出一些数据来“指导”处理器怎么处理你的命令，所以cisc效率比较低，而 risc是完全通过部件和部件之间的连接实现 某种功能，极大的提高了工作效率，而且为流水线结构的出现提供了基础。cisc的寄存器数量较少，指令能够实 现一些比较特殊的功能， 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。相对的指令功能比较特殊，例如xlat将bx中的值作为基地址，al中的值作为偏移，在内存 中寻址到的数据送到al当中（以ds为段寄存器） 而risc的处理器则通用寄存器比较多，而指令的功能可以稍微弱一点，例如： 以nios嵌入式处理器来说明，nios处理器有32个通用寄存器（r0~r31），而指令功能相对x86的弱一些，而且x86进行内存访问是直接使 用mov指令，nios处理器读内存用的是load，写内存用的是store， 二 者响应中断的方式也不一样，举一个典型的例子，x86的处理器将中断向量表放在了内存的最低地址（0-1023，每个中断向量占四个字 节），能容纳256 个中断（以实模式的8086举例）响应中断时，将中断号对应的地址上的cs和ip的值装入到cs和ip寄存器而将原来的地址 保存，并且保存状态寄存器然后 进入中断处理，而risc则拥有一个共同的中断响应函数，这个函数会根据中断号找到程序向系统注册的函 数的地址，并且调用这个函数。一般来说而是用的 cisc指令的长度是不定的，例如x86的xor ax,bx对应机器码是0x31d8、而push ax是 0x50、pop cx是0x59。而risc的指令确是定长的，例如】
第1页：CPU是做什么的 第2页：什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 第3页：一个CPU的基本结构以及必要组件 第4页：重头戏：我做的CPU模型
什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 首 先大家得有时钟的概念：这个问题不好解释啊。。。。。。可以理解为家里面的机械钟，上上电池之后就会滴答滴答走，而它“滴答滴 答”的速度就是频率，滴答一 下用的时间就是周期，而人的工作，下班，吃饭和学习娱乐都是按照时钟的指示来进行的（熬夜的网瘾少年 不算），一般来说，时钟信号都是由晶体振荡器产生 的，0101交替的信号（低电平和高电平）。 数字电路都需要一个“时钟”来驱动，就像演奏交响乐的时候需要一个指挥家在前面指挥一样，所有的人都会跟着指挥的拍子来演奏，就 像数字电路中所有的部件都会跟着时钟节拍工作一样。 如下是一个理想的时钟信号：（注意是理想的）。
大师教你如何制作一个简单的16位CPU
大师教你如何制作一个简单的16位CPU 上网时间:2016年03月10日
如何制作一个简单的16位CPU，首先我们要明个CPU，首先得明白下计算机的组成结构（或者计算机的替代品，因为并不是只有计算机有CPU，现在的电子产品都很先 进，很多设备例如手机、洗 衣机甚至电视和你家的汽车上面都得装一个CPU），数字电路基础，还最好有点编程的基础（当然，没有也没 关系，这些知识都很容易获得，各种书上面都会提 到，并且在接下来的过程中我会提到这些知识） 我们要实现的是一个RISC指令集的CPU，并且我们最后要自己为这个CPU设计指令并且编码。 首先我们来听个故事，关于CPU的诞生的故事： 日 本客户希望英特尔帮助他们设计和生产八种专用集成电路芯片，用于实现桌面计算器。英特尔的工程师发现这样做有两个很大的问题。 第一，英特尔已经在全力开发 三种内存芯片了，没有人力再设计八种新的芯片。第二，用八种芯片实现计算器，将大大超出预算成本。英 特尔的一个名叫特德?霍夫（Ted Hoff）的工程师仔细分析了日本同行的设计，他发现了一个现象。这八块芯片各实现一种特定的功能。 当用户使用计算器时，这些功能并不是同时都需要的。比 如，如果用户需要计算100个数的和，他会重复地输入一个数，再做一次加法， 一共做100次，最后再打印出来。负责输入、加法和打印的电路并不同时工作。 这样，当一块芯片在工作时，其他芯片可能是空闲的。 霍夫有了一个想法：为什么不能用一块通用的芯片加上程序来实现几块芯片的功能呢？当需要某种功能时，只需要把实现该功能的一段程 序代码（称为子程序）加载到通用芯片上，其功能与专用芯片会完全一样。 经 过几天的思考后，霍夫画出了计算器的新的体系结构图，其中包含4块芯片：一块通用处理器芯片，实现所有的计算和控制功能；一块 可读写内存（RAM）芯片， 用来存放数据；一块只读内存（ROM）芯片，用来存放程序；一块输入输出芯片，实现键入数据和操作命 令、打印结果等等功能。 看完这个故事后，可以总结：CPU是一种用来代替专用集成电路的器件（这只是我的理解，不同人有不同理解，这个就智者见智了，我在 接下来的例子中也会说明我的想法）。 然后考虑如下这个例子： 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:
第1页：CPU是做什么的 第2页：什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 第3页：一个CPU的基本结构以及必要组件 第4页：重头戏：我做的CPU模型
一个CPU的基本结构以及必要组件
这 个例子引用自DE2开发板套件带的光盘上的Lab Exercise 9，我们从图中可以看到，一个CPU包含了通用寄存器组R0~R7，一个 ALU（算术逻辑单元），指令寄存器IR，控制器（一般这部分是一个有限状态机或 者是用微指令实现），还有就是数据通路（图中的连 线）。当然真正的CPU不可能只包含这么一点点组件，这是一个模型CPU，也就是说只是说明CPU的原 理，真正复杂的CPU要涉及到很多 复杂的结构和时序，例如虚拟模式需要使用一些特殊的寄存器、为了支持分页需要使用页表寄存器等，为了加速内存的访问需要 使用 TLB，加速数据和指令的访问而使用data cache和instruction cache等等。。。。。当然，那都是后面该考虑的，所以我们先从这个简单 的部分开始讲起。 例子中能实现如下指令：
可 以看到，以上三个例子都产生了一个从0不断增加的序列，而且前两个例子会一直加到溢出又从开始（这个取决于计算机的字长也就 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，而后面那个c程序则看不同编译器和不同平台不一样），后面 那个例子则看你用的是什么样的加法器 和多少个D触发器 那问题就来了，我假设要一个递减的序列怎么办呢？前两个例子很好解释，我直接改代码不就得了： 例2-1: mov eax,0 repeat:dec eax jmp repeat 例2-2: int main()
{ unsigned int i = 0; while(1) i--; } 你只需要轻轻敲击键盘，修改了代码之后，它就会如你所愿的执行。 但是后面那个例子怎么办呢？可能你已经想到办法了：如例2-3所示。 例2-3:
问题就来了，你在键盘上敲两下可不能改变实际电路！上面（例1-3）中是个加法器，但是跑到这里却变成了减法器（例2-3）！ 这样的话，你就得再做一个电路，一个用来算加法，一个用来算减法，可是两个电路代表你得用更多的电路和芯片，你花的钱就得更多， 要是你不能同时使用这两个电路你就花了两份钱却只干了一件事！ 这个问题能被解决吗？答案是能！ 请看例3：
mv指令将Ry的数据转移到Rx中，mvi将立即数D转移到Rx当中，add将Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不过执行的是减法。 首 先来说明mv指令是如何执行的：mv指令将Ry的值移入Rx寄存器当中，这两个寄存器都是由一组D触发器构成，而D触发器的个数取决 于寄存器的宽度，就像 32位机、64位机这样，那他们的寄存器使用的D触发器的个数就是不一样的。当执行mv rx,ry时，中间的多路器(图 中最大的那个multiplexer)选通Ry，让Ry寄存器驱动总线，这个时候Bus上的信号就是Ry的值；然后再看到 R0~R7上分别有R0in~R7in信 号，这个信号是使能信号，当这个信号有效时，在上升沿此触发器会将din的数据输入，所以说到这里大家一定想到 了，这个时候Rx触发 器上的Din信号就会变为有效，这样过了一个时钟周期后Ry的值就被送到了Rx当中。 与mv指令类似，mvi指令也将一个数据送入Rx当中，只不过这次的数据存在指令当中，是立即数，所以Rx的Din信号会变为有效，而多路 器会选择IR中的数据，因为mvi指令的立即数存在指令当中。并且进行一定处理，例如扩展等。 add 指令会让多路器先选择Rx，然后Ain信号有效，这样一个时钟周期后，Rx数据被送入Alu的A寄存器当中，这时多路器选择 Ry，addsub信号为 add以指示ALU进行加法操作，Gin有效让G寄存器存放运算结果，然后再过一个时钟周期G当中的数据就是Rx与Ry的 和，这时多路器再选择 Gin，Rx的Din有效，过了一个时钟周期后数据就被存放到Rx当中了。 sub的过程与add差不多，不过addsub信号是sub指示ALU进行减法。 【分页导航】
当然，实际的时钟信号可能远没有这么理想，可能上升沿是斜的，而且占空比也可能不是50%，有抖动，有偏移（相对于两个器件），可 能因为导线的寄生电容效应变得走形。 上面那段如果没听懂也没关系~~~反正就是告诉你，实际的时钟信号测出来肯定没这么标准。 而 cpu的工作频率，是外频与倍频的积（cpu究竟怎么算频率,其实这个我也不太清楚呵呵），因为cpu是通过外部的晶振产生一个时钟信 号，然后再通过内部 的电路（锁相环），倍频至需要的频率。当然，有人问，为什么要这么麻烦呢？直接在电路外边做个时钟晶振能产生 那么高的时钟信号就可以了嘛，这个是可以的， 在某些简单的系统上（例如51单片姬）就是这样的，但是计算姬的cpu比较复杂，因为一 些原因所以必须要做到cpu内。 下面简单说一下CPU的两种指令集：CISC和RISC。 说下我的看法（个人看法，如有错误还请高手指正）： RISC是Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机，典型例子是MIPS处理器。 CISC 是Complex Instruction Set Compute，复杂指令集计算机，典型例子是x86系列处理器（当然现在的x86指令还是当初cisc的指 令，但是实际处理器的结构都已经变成了 risc结构了，risc的结构实现流水线等特性比较容易，在计算机前的你如果用的是intel某系列的 处理器，则它使用的指令集看上去还是像cisc的 指令，但是实际上你的cpu的结构已经是risc的了）。 一般CISC的处理器需要用微指令配合运行，而RISC全部是通过硬连线实现的， 也就是说，当cisc的处理器在执行你的程序前，还得先从另 外一个rom里面读出一些数据来“指导”处理器怎么处理你的命令，所以cisc效率比较低，而 risc是完全通过部件和部件之间的连接实现 某种功能，极大的提高了工作效率，而且为流水线结构的出现提供了基础。cisc的寄存器数量较少，指令能够实 现一些比较特殊的功能， 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。相对的指令功能比较特殊，例如xlat将bx中的值作为基地址，al中的值作为偏移，在内存 中寻址到的数据送到al当中（以ds为段寄存器） 而risc的处理器则通用寄存器比较多，而指令的功能可以稍微弱一点，例如： 以nios嵌入式处理器来说明，nios处理器有32个通用寄存器（r0~r31），而指令功能相对x86的弱一些，而且x86进行内存访问是直接使 用mov指令，nios处理器读内存用的是load，写内存用的是store， 二 者响应中断的方式也不一样，举一个典型的例子，x86的处理器将中断向量表放在了内存的最低地址（0-1023，每个中断向量占四个字 节），能容纳256 个中断（以实模式的8086举例）响应中断时，将中断号对应的地址上的cs和ip的值装入到cs和ip寄存器而将原来的地址 保存，并且保存状态寄存器然后 进入中断处理，而risc则拥有一个共同的中断响应函数，这个函数会根据中断号找到程序向系统注册的函 数的地址，并且调用这个函数。一般来说而是用的 cisc指令的长度是不定的，例如x86的xor ax,bx对应机器码是0x31d8、而push ax是 0x50、pop cx是0x59。而risc的指令确是定长的，例如】
第1页：CPU是做什么的 第2页：什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 第3页：一个CPU的基本结构以及必要组件 第4页：重头戏：我做的CPU模型
什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 首 先大家得有时钟的概念：这个问题不好解释啊。。。。。。可以理解为家里面的机械钟，上上电池之后就会滴答滴答走，而它“滴答滴 答”的速度就是频率，滴答一 下用的时间就是周期，而人的工作，下班，吃饭和学习娱乐都是按照时钟的指示来进行的（熬夜的网瘾少年 不算），一般来说，时钟信号都是由晶体振荡器产生 的，0101交替的信号（低电平和高电平）。 数字电路都需要一个“时钟”来驱动，就像演奏交响乐的时候需要一个指挥家在前面指挥一样，所有的人都会跟着指挥的拍子来演奏，就 像数字电路中所有的部件都会跟着时钟节拍工作一样。 如下是一个理想的时钟信号：（注意是理想的）。
大师教你如何制作一个简单的16位CPU
大师教你如何制作一个简单的16位CPU 上网时间:2016年03月10日
如何制作一个简单的16位CPU，首先我们要明个CPU，首先得明白下计算机的组成结构（或者计算机的替代品，因为并不是只有计算机有CPU，现在的电子产品都很先 进，很多设备例如手机、洗 衣机甚至电视和你家的汽车上面都得装一个CPU），数字电路基础，还最好有点编程的基础（当然，没有也没 关系，这些知识都很容易获得，各种书上面都会提 到，并且在接下来的过程中我会提到这些知识） 我们要实现的是一个RISC指令集的CPU，并且我们最后要自己为这个CPU设计指令并且编码。 首先我们来听个故事，关于CPU的诞生的故事： 日 本客户希望英特尔帮助他们设计和生产八种专用集成电路芯片，用于实现桌面计算器。英特尔的工程师发现这样做有两个很大的问题。 第一，英特尔已经在全力开发 三种内存芯片了，没有人力再设计八种新的芯片。第二，用八种芯片实现计算器，将大大超出预算成本。英 特尔的一个名叫特德?霍夫（Ted Hoff）的工程师仔细分析了日本同行的设计，他发现了一个现象。这八块芯片各实现一种特定的功能。 当用户使用计算器时，这些功能并不是同时都需要的。比 如，如果用户需要计算100个数的和，他会重复地输入一个数，再做一次加法， 一共做100次，最后再打印出来。负责输入、加法和打印的电路并不同时工作。 这样，当一块芯片在工作时，其他芯片可能是空闲的。 霍夫有了一个想法：为什么不能用一块通用的芯片加上程序来实现几块芯片的功能呢？当需要某种功能时，只需要把实现该功能的一段程 序代码（称为子程序）加载到通用芯片上，其功能与专用芯片会完全一样。 经 过几天的思考后，霍夫画出了计算器的新的体系结构图，其中包含4块芯片：一块通用处理器芯片，实现所有的计算和控制功能；一块 可读写内存（RAM）芯片， 用来存放数据；一块只读内存（ROM）芯片，用来存放程序；一块输入输出芯片，实现键入数据和操作命 令、打印结果等等功能。 看完这个故事后，可以总结：CPU是一种用来代替专用集成电路的器件（这只是我的理解，不同人有不同理解，这个就智者见智了，我在 接下来的例子中也会说明我的想法）。 然后考虑如下这个例子： 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:
第1页：CPU是做什么的 第2页：什么是单周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC 第3页：一个CPU的基本结构以及必要组件 第4页：重头戏：我做的CPU模型
一个CPU的基本结构以及必要组件
这 个例子引用自DE2开发板套件带的光盘上的Lab Exercise 9，我们从图中可以看到，一个CPU包含了通用寄存器组R0~R7，一个 ALU（算术逻辑单元），指令寄存器IR，控制器（一般这部分是一个有限状态机或 者是用微指令实现），还有就是数据通路（图中的连 线）。当然真正的CPU不可能只包含这么一点点组件，这是一个模型CPU，也就是说只是说明CPU的原 理，真正复杂的CPU要涉及到很多 复杂的结构和时序，例如虚拟模式需要使用一些特殊的寄存器、为了支持分页需要使用页表寄存器等，为了加速内存的访问需要 使用 TLB，加速数据和指令的访问而使用data cache和instruction cache等等。。。。。当然，那都是后面该考虑的，所以我们先从这个简单 的部分开始讲起。 例子中能实现如下指令：
可 以看到，以上三个例子都产生了一个从0不断增加的序列，而且前两个例子会一直加到溢出又从开始（这个取决于计算机的字长也就 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，而后面那个c程序则看不同编译器和不同平台不一样），后面 那个例子则看你用的是什么样的加法器 和多少个D触发器 那问题就来了，我假设要一个递减的序列怎么办呢？前两个例子很好解释，我直接改代码不就得了： 例2-1: mov eax,0 repeat:dec eax jmp repeat 例2-2: int main()
{ unsigned int i = 0; while(1) i--; } 你只需要轻轻敲击键盘，修改了代码之后，它就会如你所愿的执行。 但是后面那个例子怎么办呢？可能你已经想到办法了：如例2-3所示。 例2-3:
问题就来了，你在键盘上敲两下可不能改变实际电路！上面（例1-3）中是个加法器，但是跑到这里却变成了减法器（例2-3）！ 这样的话，你就得再做一个电路，一个用来算加法，一个用来算减法，可是两个电路代表你得用更多的电路和芯片，你花的钱就得更多， 要是你不能同时使用这两个电路你就花了两份钱却只干了一件事！ 这个问题能被解决吗？答案是能！ 请看例3：