6502 指令译码器
引言
CPU 要执行指令需要先识别指令，弄清楚要执行的指令是什么类型、需要几个周期、操作数在哪里、目的地在哪里等信息，才能在后续的指令执行过程中打开对应的数据通路。“识别指令”的过程叫译码，完成指令识别功能的机构，叫译码器。
两个译码器
因为 6502 CPU 有一个两级流水线，所以有两个译码器，分别叫前置译码器（Pre-Decoder）和后置译码器。通常说的 6502 译码器实际是指后置译码器。这两个译码器在电路图中位置如下图：
图中，紫色表示前置译码器，蓝色表示后置译码器。我没有在 6502 Schematics.pdf 文件中找到前置译码器，可能是作者没有整理出来。
两个译码器之间的协作关系可以从 Hanson's Block Diagram 中看出来：
可以看到，前置译码器在指令寄存器（IR）之前，而后置译码器在 IR 之后。后置译码器负责对正在执行的指令进行译码，而前置译码器则对将要执行的指令进行简单译码。
译码原理
前置译码器与后置译码器都遵循同样的译码原理，观察它们的电路，都长得如下图：
图中，横着的线为输入线，竖着的线为输出线。不难看出，译码器的输出其实是一个多输入或非逻辑。由于或非逻辑只能识别逻辑 1，所以为了能识别逻辑 0，通常还会把原数据取反后加入到输入中。上图中亮绿色的线与它下方的暗绿色线互为反信号。
为了说明译码器原理，让我们看一个简化版本的译码器。下图是一个 4 入 2 出的译码器，我们以它为模型进行说明。
前面说到，输出是或非逻辑。所以 \(A=\overline{\overline{X_3}+X_2+X_1+\overline{X_0}}\)，化简可得 \(A=X_3\overline{X_2}\overline{X_1}X_0\)，可知 A 可以识别的输入模式为 1001，即可以识别 0x9。同理可得 \(B=X_2\overline{X_1}\)，即 B 可以识别的输入模式为 x10x。
前置译码器输入与输出
前置译码器负责对将要执行的指令进行简单译码，因此译码输入是总线数据。为了避免总线数据变化影响译码结果，总线数据会被暂存到前置译码寄存器（PD）中。每个时钟周期，总线数据都会重新加载到 PD 中。下图是前置译码器整理过后的电路图：
应用前面介绍的分析法，可以得到前置译码器输出如下：
| 输出 | 匹配模式 | 说明 |
|---|---|---|
| A | 1xx000x0 | LDX #, LDY #, CPX #, CPY # |
| B | xxx010x1 | 立即数算术指令 |
| C | xxxx10x0 | 隐式（Implied）寻址指令 |
| D | 0xx0xx0x | 栈操作指令、流程控制指令及算术指令 |
译码后，A、B、C、D 又按照 \(\overline{A+B+C\overline{D}}\) 的方式组合出一个新的信号，这个新信号表示指令不属于 2 周期指令。
后置译码器输入与输出
后置译码器负责对正在执行的指令进行译码，因此输入数据是指令寄存器中的内容。此外，它的输入还包含了当前的时钟周期，因此可译出当前指令是什么类型及是第几个周期。6502 Schematics.pdf 已经标注出了译码结果，本文不再赘述。GitHub 上有一个项目 —— emu russia —— 对 6502 做了非常彻底的研究，其中当然也包括对译码器的研究。感兴趣的读者可以参考他们的成果，里面有译码器输出的详细说明。
后记
6502 的译码器占据了芯片很大一块地方，我刚开始研究 6502 时，觉得译码器非常神奇和复杂。当我了解译码器的工作原理后，我就觉得其实逻辑并不复杂，只是面积大而已。回过头看，其实我们可以把译码器看做成一个只读内存，只不过存储的是一个 130 位的超大数。正是这个原因，有时候 6502 的译码器又叫解码器只读内存（Decoder ROM）。
为了将输入模式对应的指令标识出来，我做了一个小工具：
如果无法看到演示界面，可以点击此处体验。
【说明】：
- 输入 “xxxx10x0” 点击 “确定” 即可查看所有匹配的指令。
- 工具还支持表达式，例如输入 “1xx000x0 || xxx010x1 || (xxxx10x0 && ~0xx0xx0x)” 再点击 “确定” 即可查看所有满足表达式的指令。
