16位CPU怎么做，DIY大神給你支支招兒

　　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(lèi)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 = 0，1<<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(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：