[8位二進制CPU的設計和實現] CPU微機架構的實現

本文轉載自查看原文 2021-09-19 21:28 252 硬件基礎/ CPU設計

8位二進制CPU的設計和實現

CPU微機架構的實現

本文是對B站UP躊躇月光出的8位二進制CPU的設計和實現的文字教程復現第二部分 CPU微機架構的實現
相關 github 地址：https://github.com/StevenBaby/computer
PS：有錯誤的地方請指正，謝謝！共同學習，一起進步！

ALU和半自動加法機

參考工程：16 ALU和半自動加法機

回顧第一部分做的加法運算器，封裝一下即得到ALU(算術邏輯單元(arithmetic and logic unit))

A,B是兩個8位數輸入，做相加運算用
OP是選擇做加法還是減法，為1時做減法，為0時做加法
O是相加輸出，CO是進位輸出

半自動加法機

通過ALU和三位計數器、ROM、寄存器我們可以組成一個半自動加法器，如下所示

其中

三位計數器用來遍歷ROM里所有地址的數據
ALU負責做加法運算
寄存器暫存加法運算后的數據

計算步驟

上電之后，點擊左上角按鍵，計數器和寄存器都被置為0。接着我們打開計數器使能，寄存器寫使能，給寄存器一個時鍾信號，將ROM里0地址的數寫到加法器的A輸入口。
然后再給計數器一個時鍾信號，讀出ROM中1地址的數據。ALU經過加法運算后輸出到寄存器的輸入。

再給寄存器一個時鍾信號，讓計算結果再寫到A

依次循環，即可實現半自動加法。

全自動加法機

參考工程：17 全自動加法機

上面我們做出來一個半自動加法機，現在我們嘗試實現一個全自動加法機，不需要我們手動去給時鍾信號。

首先我們創建一個自動化總線：可以控制啟動和停止，並提供時鍾信號的一個總線

我們需要兩個開關和兩個按鍵：

POW：啟動開關，1啟動，0關閉
MAN：手動時鍾開關，1手動提供時鍾，0自動時鍾(測試用)
RES：復位按鍵，按下之后總線提供一個復位信號
PUL：手動時鍾按鍵，通過該按鍵手動提供時鍾信號(測試用)

同時提供一個停止輸入和時鍾輸入，復位輸出和時鍾輸出

HLT：停止信號輸入，提供一個輸入口讓外部提供一個停止信號，時鍾信號就被關閉
CLOCK：內部提供一個時鍾輸入，沒有接口
RES：一個復位輸出信號，給總線上的器件一個復位信號(初始化或者復位時使用)
CP：時鍾輸出，給總線上器件提供時鍾信號

總線布局如下：

分析一下兩個信號輸出：時鍾輸出和復位輸出

時鍾輸出

用文字語言描述就是：有兩種提供時鍾信號的方式，分別是時鍾信號和手動脈沖信號，受MAN的控制，前提是電源打開，沒有復位，沒有停止信號。

復位輸出

復位信號的條件是：1、電源沒有打開 2、電源打開的同時按下復位信號

然后我們將前面的半自動加法器移植到這里，構成全自動加法機

運行步驟

ROM里預置數據

啟動仿真，RES復位一直拉高，計數器和寄存器復位(清零)
按下POW，啟動全自動加法機，此時時鍾信號打開，復位信號關閉(為了方便觀察，使用手動信號)，按下PUL輸入，第一個上升沿，寄存器執行寫操作，將ROM的0地址數據寫到A輸入口；松開PUL，第一個下降沿，對應計數器的第一個上升沿，計數器+1，ROM地址+1，讀出ROM的1地址數據。
依次類推，關閉手動時鍾信號，開啟自動時鍾信號，全自動加法機自動完成運算(讀到FF數據停止運算)

程序計數器和內存

參考工程：18 程序計數器和內存

這一節我們來實現一個程序計數器，來支持后面微控制器程序的運行，程序計數器和前面的8位計數器其實差不多。

但是因為要支持跳轉指令，所以要原來的8位計數器需要做個改造，加一個預置數的功能，所以其實程序計數器本質是一個寄存器加上+1的功能。

程序計數器實現

EN：三態門使能，在輸入輸出端分別加上三態門用來隔離總線；EN=1輸出(計數)，EN=0輸入(預置數)

功能測試

上電(POW打開)，程序計數器CS=1WE=1寫使能，EN=1計數使能，程序計數器(PC)從零開始增加
預置數6，打開三態門，數據被送到總線上，EN=0程序計數器預置數功能打開，程序計數器預置數6
打開PC計數功能，計數器從6開始自增，打開預置數器的總線隔離，總線上數據6消失

通過程序計數器讀取內存

前面說道，程序計數器的作用就是用來讀取程序，一般程序都放在RAM里，所以這里我們利用程序計數器來讀取一下RAM里的數據。

設置RAM為隨機數，打開仿真，先看一下RAM里的隨機數
選擇手動脈沖輸入(MAN打開)，初始，讀出RAM的0地址數據B
打開計數器計數功能(CS=WE=EN=1)，RAM的總線隔離打開(CS=WE=1)，手動輸入一個脈沖，則讀出第一個數據23(但是並沒有讀到總線上，關掉總線隔離即可讀到總線上)
現在要指定讀RAM的5地址的數據，查的是85，讀取步驟：打開RAM總線隔離(CS=WE=1)->打開計數器預置數功能(CS=WE=1，EN=0)->關閉預置數(提前設置為5)總線隔離->給一個時鍾脈沖

微程序控制

參考工程：19 微程序控制

！！！注意：此章是本部分最重要的內容

前面做了全自動加法機和程序計數器兩個重要的功能，其中程序計數器PC是程序運行的一個重要部分，他的功能就是順序讀取RAM或者ROM里的數據(計數器自增)和跳轉功能，那么本節就是來講如何將對寄存器以及其他器件的控制轉化ROM中的數據(即程序)。

CPU的控制分為兩種，分布是微程序控制和硬布線。微程序控制是較為簡單的一種，我們這里就介紹這種，相信介紹完之后，大家會對硬布線的理解也會更加深刻。

考慮實現這樣一個功能：將RAM中0地址和1地址的數據相加，結果放到2地址中。

首先，我們需要改造一下ALU，將他也連到總線上

功能描述：將RAM中0地址和1地址的數據相加，結果放到2地址中。

硬件設計

要完成上面的功能，需要完成以下操作

從RAM里讀寫數據
需要額外的三個寄存器來作為中間量做運算使用
需要一個ALU單元做加法運算
需要一套取指系統(從ROM讀取程序)
控制總線(要通過這個控制總線來控制所有的器件)
數據總線(所有器件的數據交換需要通過這個總線)

我們一個個來解決：

從RAM里讀寫數據

使用前面搭建的PC程序計數器讀取RAM電路

需要額外的三個寄存器來作為中間量做運算使用、一個ALU單元做加法運算

A寄存器中數據加上B寄存器中數據送到C寄存器中

需要一套取指系統(從ROM讀取程序)

控制總線(要通過這個控制總線來控制所有的器件)、數據總線(所有器件的數據交換需要通過這個總線)

指令設計

重點分析一下控制總線：

控制總線總共16位

寄存器A的WE接0位，CS接1位
寄存器B的WE接2位，CS接3位
寄存器C的EW接4位，CS接5位
ALU單元的OP接6位，EN接7位
RAM總線隔離的WE接8位，CS接9位
PC計數器的WE接10位，EN接11位，CS接12位
程序停止HLT的接15位

其實根據我們前面的經驗可以知道，運算步驟其實就是控制這些位的通斷，那么根據這個原理我們設計一下該套系統的指令

WE_A = 2 ** 0  # 寄存器A的WE位接0位，使能為1
CS_A = 2 ** 1  # 寄存器A的CS位接1位，使能為1

WE_B = 2 ** 2  # 寄存器B的WE位接2位，使能為1
CS_B = 2 ** 3  # 寄存器B的CS位接3位，使能為1

WE_C = 2 ** 4  # 寄存器C的WE位接4位，使能為1
CS_C = 2 ** 5  # 寄存器C的CS位接5位，使能為1

ALU_ADD = 0    # ALU單元的OP接6位，設為0 加法
ALU_SUB = 2 ** 6 # ALU單元的OP接6位，設為1 減法
ALU_OUT = 2 ** 7 # ALU單元的EN接7位，使能為1

WE_M = 2 ** 8  # RAM的總線隔離WE位接8位，使能為1
CS_M = 2 ** 9  # RAM的總線隔離CS位接9位，使能為1

WE_PC = 2 ** 10 # PC計數器的WE位接10位，使能為1
EN_PC = 2 ** 11 # PC計數器的EN位接11位，使能為1
CS_PC = 2 ** 12 # PC計數器的CS位接12位，使能為1

HLT = 2 ** 15   # 程序停止HLT位接15位，使能為1 程序停止

程序分析

要完成將RAM中0地址和1地址的數據相加，結果放到2地址中這樣一個任務，我們分析一下需要如何做。

首先將RAM的0地址的數據取出送到A寄存器中
然后將RAM的1地址的數據去除送到B寄存器中
通過ALU加法運算過后的數據送到C寄存器中
最后將計算過后的數據(在C寄存器里)送到RAM的2地址
程序結束

詳細動作

首先將RAM的0地址的數據取出送到A寄存器中
將RAM輸出總線隔離關閉(CS=1，WE=0)，寄存器A的寫打開(CS=WE=1)，完了之后PC計數器打開計數器功能(WE=EN=CS=1)
翻譯為機器語言就是CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1110 0000 0011b=1e 03h)
然后將RAM的1地址的數據去除送到B寄存器中
將RAM輸出總線隔離關閉(CS=1，WE=0)，寄存器B的寫打開(CS=WE=1)，完了之后PC計數器打開計數器功能(WE=EN=CS=1)
翻譯為機器語言就是CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1110 0000 1100b=1e 0ch)
通過ALU加法運算過后的數據送到C寄存器中
ALU運算單元設置為加法使能(OP=0，EN=1)，然后將寄存器C的寫打開(CS=WE=1)
翻譯為機器語言就是ALU_SUB | ALU_OUT | CS_C | WE_C(0000 0000 1011 0000b=00 b0ch)
最后將計算過后的數據(在C寄存器里)送到RAM的2地址
寄存器C的讀打開(CS=1，WE=0)，RAM的寫打開(CS=1，WE=1)，完了之后PC計數器打開計數器功能(WE=EN=CS=1)(也可以不用)
翻譯為機器語言就是CS_C | WE_M | CS_M | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1111 0010 0000b=1f 20ch)
程序結束
HLT置1
翻譯為機器語言就是HLT(1000 0000 0000 0000b=80 00ch)

總結所有的指令為

    CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    CS_M | CS_B | WE_B | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    ALU_ADD | ALU_OUT | CS_C | WE_C,
    CS_C | WE_M | CS_M | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    HLT

編譯下載

將指令轉換為二進制文件

import os

dirname = os.path.dirname(__file__)
filename = os.path.join(dirname, 'ins.bin')


WE_A = 2 ** 0  # 1
CS_A = 2 ** 1  # 1x

WE_B = 2 ** 2  # 1xx
CS_B = 2 ** 3

WE_C = 2 ** 4  # 1xx
CS_C = 2 ** 5

ALU_ADD = 0
ALU_SUB = 2 ** 6
ALU_OUT = 2 ** 7

WE_M = 2 ** 8
CS_M = 2 ** 9

WE_PC = 2 ** 10
EN_PC = 2 ** 11
CS_PC = 2 ** 12

HLT = 2 ** 15

micro = [
    CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    CS_M | CS_B | WE_B | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    ALU_ADD | ALU_OUT | CS_C | WE_C,
    CS_C | WE_M | CS_M | WE_PC | EN_PC | CS_PC,
    HLT,
]

with open(filename, 'wb') as file:
    for value in micro:
        result = value.to_bytes(2, byteorder='little')
        file.write(result)
        print(value, result)

print('Finish compile!!!')

將二進制文件導入到ROM中