[8位二进制CPU的设计和实现] CPU微机架构的实现

8位二进制CPU的设计和实现

CPU微机架构的实现

本文是对B站UP踌躇月光出的8位二进制CPU的设计和实现的文字教程复现第二部分 CPU微机架构的实现
相关 github 地址：https://github.com/StevenBaby/computer
PS：有错误的地方请指正，谢谢！共同学习，一起进步！

ALU和半自动加法机

参考工程：16 ALU和半自动加法机

回顾第一部分做的加法运算器，封装一下即得到ALU(算术逻辑单元(arithmetic and logic unit))

A,B是两个8位数输入，做相加运算用
OP是选择做加法还是减法，为1时做减法，为0时做加法
O是相加输出，CO是进位输出

半自动加法机

通过ALU和三位计数器、ROM、寄存器我们可以组成一个半自动加法器，如下所示

其中

三位计数器用来遍历ROM里所有地址的数据
ALU负责做加法运算
寄存器暂存加法运算后的数据

计算步骤

上电之后，点击左上角按键，计数器和寄存器都被置为0。接着我们打开计数器使能，寄存器写使能，给寄存器一个时钟信号，将ROM里0地址的数写到加法器的A输入口。
然后再给计数器一个时钟信号，读出ROM中1地址的数据。ALU经过加法运算后输出到寄存器的输入。

再给寄存器一个时钟信号，让计算结果再写到A

依次循环，即可实现半自动加法。

全自动加法机

参考工程：17 全自动加法机

上面我们做出来一个半自动加法机，现在我们尝试实现一个全自动加法机，不需要我们手动去给时钟信号。

首先我们创建一个自动化总线：可以控制启动和停止，并提供时钟信号的一个总线

我们需要两个开关和两个按键：

POW：启动开关，1启动，0关闭
MAN：手动时钟开关，1手动提供时钟，0自动时钟(测试用)
RES：复位按键，按下之后总线提供一个复位信号
PUL：手动时钟按键，通过该按键手动提供时钟信号(测试用)

同时提供一个停止输入和时钟输入，复位输出和时钟输出

HLT：停止信号输入，提供一个输入口让外部提供一个停止信号，时钟信号就被关闭
CLOCK：内部提供一个时钟输入，没有接口
RES：一个复位输出信号，给总线上的器件一个复位信号(初始化或者复位时使用)
CP：时钟输出，给总线上器件提供时钟信号

总线布局如下：

分析一下两个信号输出：时钟输出和复位输出

时钟输出

用文字语言描述就是：有两种提供时钟信号的方式，分别是时钟信号和手动脉冲信号，受MAN的控制，前提是电源打开，没有复位，没有停止信号。

复位输出

复位信号的条件是：1、电源没有打开 2、电源打开的同时按下复位信号

然后我们将前面的半自动加法器移植到这里，构成全自动加法机

运行步骤

ROM里预置数据

启动仿真，RES复位一直拉高，计数器和寄存器复位(清零)
按下POW，启动全自动加法机，此时时钟信号打开，复位信号关闭(为了方便观察，使用手动信号)，按下PUL输入，第一个上升沿，寄存器执行写操作，将ROM的0地址数据写到A输入口；松开PUL，第一个下降沿，对应计数器的第一个上升沿，计数器+1，ROM地址+1，读出ROM的1地址数据。
依次类推，关闭手动时钟信号，开启自动时钟信号，全自动加法机自动完成运算(读到FF数据停止运算)

程序计数器和内存

参考工程：18 程序计数器和内存

这一节我们来实现一个程序计数器，来支持后面微控制器程序的运行，程序计数器和前面的8位计数器其实差不多。

但是因为要支持跳转指令，所以要原来的8位计数器需要做个改造，加一个预置数的功能，所以其实程序计数器本质是一个寄存器加上+1的功能。

程序计数器实现

EN：三态门使能，在输入输出端分别加上三态门用来隔离总线；EN=1输出(计数)，EN=0输入(预置数)

功能测试

上电(POW打开)，程序计数器CS=1WE=1写使能，EN=1计数使能，程序计数器(PC)从零开始增加
预置数6，打开三态门，数据被送到总线上，EN=0程序计数器预置数功能打开，程序计数器预置数6
打开PC计数功能，计数器从6开始自增，打开预置数器的总线隔离，总线上数据6消失

通过程序计数器读取内存

前面说道，程序计数器的作用就是用来读取程序，一般程序都放在RAM里，所以这里我们利用程序计数器来读取一下RAM里的数据。

设置RAM为随机数，打开仿真，先看一下RAM里的随机数
选择手动脉冲输入(MAN打开)，初始，读出RAM的0地址数据B
打开计数器计数功能(CS=WE=EN=1)，RAM的总线隔离打开(CS=WE=1)，手动输入一个脉冲，则读出第一个数据23(但是并没有读到总线上，关掉总线隔离即可读到总线上)
现在要指定读RAM的5地址的数据，查的是85，读取步骤：打开RAM总线隔离(CS=WE=1)->打开计数器预置数功能(CS=WE=1，EN=0)->关闭预置数(提前设置为5)总线隔离->给一个时钟脉冲

微程序控制

参考工程：19 微程序控制

！！！注意：此章是本部分最重要的内容

前面做了全自动加法机和程序计数器两个重要的功能，其中程序计数器PC是程序运行的一个重要部分，他的功能就是顺序读取RAM或者ROM里的数据(计数器自增)和跳转功能，那么本节就是来讲如何将对寄存器以及其他器件的控制转化ROM中的数据(即程序)。

CPU的控制分为两种，分布是微程序控制和硬布线。微程序控制是较为简单的一种，我们这里就介绍这种，相信介绍完之后，大家会对硬布线的理解也会更加深刻。

考虑实现这样一个功能：将RAM中0地址和1地址的数据相加，结果放到2地址中。

首先，我们需要改造一下ALU，将他也连到总线上

功能描述：将RAM中0地址和1地址的数据相加，结果放到2地址中。

硬件设计

要完成上面的功能，需要完成以下操作

从RAM里读写数据
需要额外的三个寄存器来作为中间量做运算使用
需要一个ALU单元做加法运算
需要一套取指系统(从ROM读取程序)
控制总线(要通过这个控制总线来控制所有的器件)
数据总线(所有器件的数据交换需要通过这个总线)

我们一个个来解决：

从RAM里读写数据

使用前面搭建的PC程序计数器读取RAM电路

需要额外的三个寄存器来作为中间量做运算使用、一个ALU单元做加法运算

A寄存器中数据加上B寄存器中数据送到C寄存器中

需要一套取指系统(从ROM读取程序)

控制总线(要通过这个控制总线来控制所有的器件)、数据总线(所有器件的数据交换需要通过这个总线)

指令设计

重点分析一下控制总线：

控制总线总共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单元的OP接6位，EN接7位
RAM总线隔离的WE接8位，CS接9位
PC计数器的WE接10位，EN接11位，CS接12位
程序停止HLT的接15位

其实根据我们前面的经验可以知道，运算步骤其实就是控制这些位的通断，那么根据这个原理我们设计一下该套系统的指令

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

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

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

ALU_ADD = 0    # ALU单元的OP接6位，设为0 加法
ALU_SUB = 2 ** 6 # ALU单元的OP接6位，设为1 减法
ALU_OUT = 2 ** 7 # ALU单元的EN接7位，使能为1

WE_M = 2 ** 8  # RAM的总线隔离WE位接8位，使能为1
CS_M = 2 ** 9  # RAM的总线隔离CS位接9位，使能为1

WE_PC = 2 ** 10 # PC计数器的WE位接10位，使能为1
EN_PC = 2 ** 11 # PC计数器的EN位接11位，使能为1
CS_PC = 2 ** 12 # PC计数器的CS位接12位，使能为1

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

程序分析

要完成将RAM中0地址和1地址的数据相加，结果放到2地址中这样一个任务，我们分析一下需要如何做。

首先将RAM的0地址的数据取出送到A寄存器中
然后将RAM的1地址的数据去除送到B寄存器中
通过ALU加法运算过后的数据送到C寄存器中
最后将计算过后的数据(在C寄存器里)送到RAM的2地址
程序结束

详细动作

首先将RAM的0地址的数据取出送到A寄存器中
将RAM输出总线隔离关闭(CS=1，WE=0)，寄存器A的写打开(CS=WE=1)，完了之后PC计数器打开计数器功能(WE=EN=CS=1)
翻译为机器语言就是CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1110 0000 0011b=1e 03h)
然后将RAM的1地址的数据去除送到B寄存器中
将RAM输出总线隔离关闭(CS=1，WE=0)，寄存器B的写打开(CS=WE=1)，完了之后PC计数器打开计数器功能(WE=EN=CS=1)
翻译为机器语言就是CS_M | CS_A | WE_A | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1110 0000 1100b=1e 0ch)
通过ALU加法运算过后的数据送到C寄存器中
ALU运算单元设置为加法使能(OP=0，EN=1)，然后将寄存器C的写打开(CS=WE=1)
翻译为机器语言就是ALU_SUB | ALU_OUT | CS_C | WE_C(0000 0000 1011 0000b=00 b0ch)
最后将计算过后的数据(在C寄存器里)送到RAM的2地址
寄存器C的读打开(CS=1，WE=0)，RAM的写打开(CS=1，WE=1)，完了之后PC计数器打开计数器功能(WE=EN=CS=1)(也可以不用)
翻译为机器语言就是CS_C | WE_M | CS_M | WE_PC | EN_PC | CS_PC(0001 1111 0010 0000b=1f 20ch)
程序结束
HLT置1
翻译为机器语言就是HLT(1000 0000 0000 0000b=80 00ch)

总结所有的指令为

    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

编译下载

将指令转换为二进制文件

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!!!')

将二进制文件导入到ROM中