大师教你如何制作一个简单的16位CPU.pdf

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 ， 先我们要明确CPU是做什么的 ，想必各位都比我清楚 ，百度的资料也很全。。。。。 如果 想要制作一个CPU ， 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。 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 j mp repeat 例1-2: int main() { unsigned int i = 0; while(1) i++; } 例1-3: 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0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 j mp 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 ： 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