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(shù)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?，這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?，而多路器會選擇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(shù)邏輯單元，這個裝置的作用是進行算術(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：