深入设计电子计算器(一)——CPU框架及指令集设计

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　　作者：窗户

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　　前几天写了一篇《如何设计一个电子计算器》，一个朋友看了之后说实在太low，好吧，依照他的意思，那我就采用文中FPGA设计的方式，然后自己从指令集设计、cpu设计、汇编器设计、汇编程序设计一路设计过去，完全从零开始设计，再多写个几篇水文，组一个系列，取名就叫《深入设计电子计算器》。基本的计算器原理方面，还是先看一下《如何设计一个电子计算器》。

　　

• 　　CPU整体结构

 　   我设计的第一步，是设计CPU整体的框架。我打算采用哈佛结构，即指令存储和数据存储分离，两套总线。

　　虽然这是一个简单的演示处理器，当然也是要引入中断机制，外部接两个中断信号，应该是足够的，一个用于定时器用，一个用于外部中断。另外，考虑到中断的方式以及中断嵌套、排队等关系，使用一个中断控制器会比较方便。

　　另外，CPU最终目的用来控制IO，得有一个IO控制器来做所有通用IO的管理。

　　为了方便的控制定时器、中断控制器、IO控制器，可以把这三者都接到数据总线上，简单便利。有的处理器的数据总线只访问RAM，其他硬件的访问再开一套通信借口，这可能是基于历史的原因，这使得在不嵌入汇编或者引入库的情况下无法用C语言完成所有的操作。我这里设计的虽然不是完全按RISC来，但也还是使用RISC的逻辑，不会为设备独立开一套通信机制。

　　总而言之，整个CPU架构如下：

 　　

• 　　CPU核的考虑

　　CPU核是CPU的关键所在。想起09年时想在chinaunix的CPU与编译器版召集大家一起来设计一个32位处理器来学习学习，并移植gcc或者llvm来编译C语言，当时考虑做一个RISC，采用三条流水线，最终移植编译器有人而一起设计CPU没人，所以不得不作罢，想来也有些可惜。当然，本系列只是一个抛砖引玉，我并不打算用较深的原理来设计这个例子CPU，那会花费很多的时间与精力，而是以此作为一个例子。

　　但虽为例子，也是应该可以完好的运行才行，这里可以采取早年的单片机思路。早年的单片机并非流水线架构，每条指令的执行过程取指令、译码、取操作数、执行等是顺序关系，虽然效率低，但对于单片机的很多应用来说足够了。

　　另外一点，RISC的等长指令是很值得考虑的，否则取指令的过程都是一个包含译码在内的状态机，所以等长指令还是很吸引人的。

　　于是，考虑到这里，我打算设计此CPU为16位处理器，CPU核中有8个通用寄存器，为r0~r7，都为16位寄存器。当然，指令存储和数据存储分开，采用哈佛结构，两套总线，这个之前已经提过。另外，指令为等长指令，每个指令2个字节，也就是16bits。有个2字节的PC代表当前指令的ROM地址/2。

　　另外，所有通用寄存器上复位之后初始值全为0。

 

• 　　中断向量

　　指令ROM上提供三个地址，分别用于复位、定时器中断、外部中断起始运行指令地址。

　　这三个地址分别是：

复位	0X00000000
定时器中断	0X00000006
外部中断	0X0000000C

　　之所以我设计此处，每两个中断之间差6个字节，是因为可以足够写上三条指令，从而跳转到任意指令地址。

 

 

• 　　标志

　　共有Z、G、L、I四个标志。

　　指令集中，所有的赋值指令、算术指令、逻辑指令都会影响ZGL三个标志，相关的会根据结果设置，不相关的会清零。所有的赋值指令、算术指令(mul/unul/div/udiv除外)、逻辑指令计算得到零的，都会设置Z标志。sub/subi/cmp/ucmp/cmpi/ucmpi同时也与GL两个标志关联，G意味着大于，L意味着小于，sub/subi的GL标志设置是由无符号来判断的。

　　所有的条件跳转指令（bz/bnz/bg/bl/bgz/blz）如果跳转成功，则ZGL都被清零，否则不变。

　　b/br/call/callr/ret会清零ZGL。

　　I标志在中断时被设置，reti调用之后恢复中断前压栈的所有寄存器、标志（见后，不排除存在中断嵌套的情况，使得reti之后紧接着依然是I标志被设置）。

 

• 　栈

　　r7为栈指针。

　　压栈是指将指定的值传入r7*2所指向的数据RAM，然后r7自加1。

　　退栈是指r7先自减1，然后r7*2所指向的数据RAM传出到指定的寄存器。

 　　中断的压栈比较特殊，因为中断之后要恢复之前所有一切不包括RAM在内的CPU状态，包括所有通用寄存器、标志、PC，reti之后也会把这些退栈恢复。

 

• 　指令集

　　指令集的设计基于以下两个原则：

　　(1)指令完备

　　要涵盖赋值、计算、跳转以及RAM和寄存器之间的互传，还要考虑如何支持中断处理以及对过程调用（C语言函数）的支持。

　　(2)指令等长

　　每条指令2个字节，也就是16bits，每条指令尽量可以表达更多的信息，也就是尽量用满这16bits。我们的指令数范围大约16~31，于是操作用5bits编码，通用寄存器有8个，所以指定寄存器用3bits编码。

　　设置以下指令：（rn、rm这里，n、m为寄存器数字编号；i为立即数，但不同指令范围有区别；=>代表将左边的值赋值给右边；[rn]在这里代表rn*2地址的数据RAM里的数据）

　　赋值指令：

mov rn,rm,i	rm+i=>rn	此处i为立即数，范围-16~15
movi rn,i	i=>rn	此处i为立即数，范围0~255
movli rn,i	i=>rn[7:0]	此处i为立即数，范围0~255
movhi rn,i	i=>rn[15:8]	此处i为立即数，范围0~255
movtr rn,rm	rm=>[rn]
movfr rn,rm	[rm]=>rn
movitr rn,rm	ROM[rm]=>rn	将rm*2地址的指令ROM内容取出放进rn寄存器，主要为了兼容C语言

　　算术指令：

　　很多单片机未必有乘法和除法指令，我考虑了一下还是加上这两类指令。而对于很多CPU都有的除零错误，我这里决定不给出。

add rn, rm,i	rn+rm+i=>rn	此处i为立即数，范围-16~15
sub rn,rm,i	rn-rm-i=>rn	此处i为立即数，范围-16~15
addi rn,i	rn+i=>rn	此处i为立即数，范围0~255
subi rn,i	rn-i=>rn	此处i为立即数，范围0~255
mul rn,rm	rnXrm=>r2:r3	此为有符号整数乘法，结果中r2为高16位，r3为低16位
umul rn,rm	rnXrm=>r2:r3	此为无符号整数乘法，结果中r2为高16位，r3为低16位
div rn,rm,rq	r2:r3/rn=>rm,rq	有符号除法，rn为除数，rm为商，rq为余数
udiv rn,rm,rq	rnXrm=>r2:r3	无符号除法，rn为除数，rm为商，rq为余数
cmp rn,rm	有符号比较，并设置ZGL标志	不影响通用寄存器的值，具体语意见后面
ucmp rn,rm	无符号比较，并设置ZGL标志	不影响通用寄存器的值，具体语意见后面
cmpi rn,i	有符号比较，并设置ZGL标志	不影响通用寄存器的值，i范围-128~127
ucmpi rn,i	无符号比较，并设置ZGL标志	不影响通用寄存器的值，i范围0~255

　　逻辑指令：

and rn, rm, rq	rm&rq=>rn
or rn, rm, rq	rm|rq=>rn
xor rn, rm, rq	rm^rq=>rn
not rn, rm	~rm=>rn
sl rn,rm,i	rm<<i=>rn	i为立即数，范围0~15
sr rn,rm,i	rm>>i=>rn	i为立即数，范围0~15
slr rn,rm,rq	rm<<rq[3:0]=>rn
srr rn,rm,rq	rm>>rq[3:0]=>rn
testb rn,i	用寄存器rn的第i位取反的值设置Z标志	本指令不影响通用寄存器，i范围为0~15
testbr rn,rm	用寄存器rn的第rm[3:0]位取反的值设置Z标志	本指令不影响通用寄存器，i范围为0~15

　　栈指令：

pushi i	将i压栈	压栈的意义见说明,i的范围为0~2047
push rn	将rn的值压栈	压栈的意义见说明
pop rn	退栈，值赋给rn	退栈的意义见说明

　　跳转指令：

　　这里的跳转指令考虑了我两周，主要是希望C语言的兼容，以及指令的完备。从而涉及到一些标志问题，从而要返到前面去考虑前面指令的意图，另外又在前面添加了cmp指令和testb指令。

b i	无条件跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
br rn	无条件跳转到rn*2的指令地址	此处i范围为-1024~1023
bz  i	如果Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
bnz i	如果Z标志未置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
bg i	如果G标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
bl i	如果L标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
bgz i	如果G标志或Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
blz i	如果L标志或Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2	此处i范围为-1024~1023
call i	把下一条指令地址压栈，并跳转到当前指令地址+i*2的指令地址	此处i范围为-128~127
callr rn	把下一条指令地址压栈，并跳转到rn*2的指令地址
ret	出栈两个字节，然后跳转到这2个字节的值*2的指令地址
reti	中断例程返回	具体语意见“栈”、“标志”

 

　　这些指令对于CPU基本是完备了。

 

• 　　机器码指令　

　　每个指令编码2个字节，如下所示，op就是编码的2个字节16bits,其中没有被编的bit，填0即可。

mov rn,rm,i	0=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]
movi rn,i	1=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
movli rn,i	2=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
movhi rn,i	3=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
movtr rn,rm	4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15:14]
movfr rn,rm	4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15:14]
movitr rn,rm	4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],2=>op[15:14]
add rn, rm,i	5=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]
sub rn,rm,i	6=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]
addi rn,i	7=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
subi rn,i	8=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
mul rn,rm	9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15:14]
umul rn,rm	9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15:14]
div rn,rm,rq	9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],2=>op[15:14]
udiv rn,rm,rq	9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],3=>op[15:14]
cmp rn,rm	10=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15]
ucmp rn,rm	10=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15]
cmpi rn,i	11=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
ucmpi rn,i	12=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]
and rn, rm, rq	13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],0=>op[15:14]
or rn, rm, rq	13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],1=>op[15:14]
xor rn, rm, rq	13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],2=>op[15:14]
not rn, rm	13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],3=>op[15:14]
sl rn,rm,i	14=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[14:11],0=>op[15]
sr rn,rm,i	14=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[14:11],1=>op[15]
slr rn,rm,rq	15=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],0=>op[15]
srr rn,rm,rq	15=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],1=>op[15]
testb rn,i	16=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[11:8],0=>op[15]
testbr rn,rm	16=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15]
pushi i	17=>op[4:0],i=>op[15:5]
push rn	18=>op[4:0],n=>op[7:5],0=>op[15]
pop rn	18=>op[4:0],n=>op[7:5],1=>op[15]
b i	19=>op[4:0],i=>op[15:5]
br rn	20=>op[4:0],n=>op[7:5]
bz  i	21=>op[4:0],i=>op[15:5]
bnz i	22=>op[4:0],i=>op[15:5]
bg i	23=>op[4:0],i=>op[15:5]
bl i	24=>op[4:0],i=>op[15:5]
bgz i	25=>op[4:0],i=>op[15:5]
blz i	26=>op[4:0],i=>op[15:5]
call i	27=>op[4:0],i=>op[15:5]
callr rn	28=>op[4:0],n=>op[7:5]
ret	29=>op[4:0],0=>op[15]
reti	29=>op[4:0],1=>op[15]

　　还有30/31两个指令类型没有使用，将来有必要还可以扩展一下。其实testb/testbr可以和cmp/ucmp合用，这样就又可以多出来一个，不过看在两者有点区别的份上，就算了。

 

　　以上为本系列的第一篇，花了我一定的精力，我也尽力尽快补上接下来的几篇，过程中错误难免，希望大家给予指正。

 

《深入设计电子计算器》

• 深入设计电子计算器(一)——CPU框架及指令集设计