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大师教你如何制作一个简单的16位CPU

大法师千寻?? 百度贴吧?? 2016年03月10日 ?? 收藏12
如何制作一个简单的16位CPU,首先我们要明确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,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:

图1

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

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:

图2

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:

图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。

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