16位CPU怎么做，DIY大神給你支支招兒

　　狀態(tài)機(jī)基本上與系統(tǒng)所有的組件都連接到一起了，因?yàn)樯厦嫠f的所有動(dòng)作的執(zhí)行，都需要狀態(tài)機(jī)的控制，狀態(tài)機(jī)其實(shí)就是由一部分觸發(fā)器構(gòu)成的記憶電路和另外一部 分組合邏輯構(gòu)成的次態(tài)譯碼電路構(gòu)成，還有根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入進(jìn)行譯碼的部分用于控制各個(gè)部件，下面是教科書上的典型FSM結(jié)構(gòu)：

　　而我們用的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

　　因?yàn)檫@個(gè)處理器設(shè)計(jì)的很簡單，所以沒有出現(xiàn)很多狀態(tài)，當(dāng)處理器經(jīng)歷完以上的狀態(tài)之后，處理器就執(zhí)行完了一條指令。

　　有的CISC的處理器用微指令進(jìn)行控制，作用和狀態(tài)機(jī)相近，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一些比較古老的處理器上，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的設(shè)計(jì)工具和方法沒有現(xiàn)在的先進(jìn)，所以往往 改動(dòng)硬件是困難的和高成本的，所以用微指令的話，做好了硬件的結(jié)構(gòu)，要是需要改動(dòng)只要修改微指令就好了，而現(xiàn)在的電子技術(shù)很發(fā)達(dá)，設(shè)計(jì)工具也很完備，所以 就有很多直接通過硬連線實(shí)現(xiàn)的處理器。

　　好馬配好鞍，有了處理器，我們就得給它配上一個(gè)好的程序，下面我們就用自己設(shè)計(jì)的處理器進(jìn)行求和，從1加到100，因?yàn)槲覀儧]有設(shè)計(jì)編譯器，也沒有設(shè)計(jì)匯編器，所以程序只能用機(jī)器碼寫出，示例程序如下：

　　我們不妨先寫出程序的匯編代碼：

　　mov [ADDR]，r0;r0 = 0

　　mov r1，100

　　lop：add r2，r1

　　sub r1，1

　　cmp r1，0

　　jz ext

　　mov r4，4

　　jmp r4(lop)

　　ext：mov [ADDR]，r2

　　jmp $

　　先將內(nèi)存中存放數(shù)據(jù)的地址清零，這樣才能存放等下送來的結(jié)果，然后將r1寄存器存入循環(huán)次數(shù)(也就是求和的上限)。然后再將r1的值加到r2中來，r2其實(shí)就是放求和的寄存器，最后我們會(huì)將r2中的值送到內(nèi)存中的某個(gè)地址存放的。

　　然 后將r1減去1，看看是否為0?如果為0則說明求和結(jié)束了，如果不是0則說明還要繼續(xù)，結(jié)束后程序就跳到ext部分將結(jié)果存放到內(nèi)存中某個(gè)地址(例子中給 的是49152也就是二進(jìn)制的1100000000000000b)，最后jmp $是為了讓程序停在這一行，防止程序跑飛(跑飛的程序危害很大!有可能吧數(shù)據(jù)當(dāng)代碼或者把代碼當(dāng)數(shù)據(jù)!)

　　轉(zhuǎn)換成VerilogHDL語言如下：

　　module memory

　　(

　　input [15：0] addr，

　　inout [15：0] data，

　　input rw

　　);

　　reg [15：0] data_ram[0：16'b1111_1111_1111_1111];

　　integer i;

　　initial begin

　　for (i = 0; i <= 16'b1111_1111_1111_1111; i = i + 1)

　　data_ram[i] = $random();

　　data_ram[0] = 16'b1000000100000000; //mov [ADDR]，r0;r0 = 0

　　data_ram[1] = 16'b1100000000000000; //ADDR

　　data_ram[2] = 16'b1000000010001000; //mov r1，100

　　data_ram[3] = 100; //100

　　//data_ram[2] = 16'b1110011001000000;

　　data_ram[4] = 16'b0010000100010001; //lop：add r2，r1

　　data_ram[5] = 16'b1110000011001000; //sub r1，1

　　data_ram[6] = 16'b0000000000000001; //1

　　data_ram[7] = 16'b1110000000001000; //cmp r1，0

　　data_ram[8] = 16'b0000000000000000; //0

　　data_ram[9] = 16'b1110011010000000; //jz ext

　　data_ram[10] = 16'b0000000000000011; //+3 offset(ext)

　　data_ram[11] = 16'b1000000010100000;//mov r4，4

　　data_ram[12] = 16'b0000000000000100;

　　data_ram[13] = 16'b0110011001100000;//jmp r4(lop)

　　data_ram[14] = 16'b1000000100000010;//ext：mov [ADDR]，r2

　　data_ram[15] = 16'b1100000000000000;//ADDR

　　data_ram[16] = 16'b1110011001000000;//jmp $

　　data_ram[17] = 16'b1111111111111110;//-2 offset($)

　　/*data_ram[0] = 16'b1000000010000000; //mov r0，imm

　　data_ram[1] = 16'b0011111111111111; //imm

　　data_ram[2] = 16'b0000000001111000; //mov r7，r0

　　data_ram[3] = 16'b1000000010011000; //mov r3，0

　　data_ram[4] = 16'b0000000000000000;

　　data_ram[5] = 16'b1000000010100000; //mov r4，code of jmp r5

　　data_ram[6] = 16'b0110011001101000; //jmp r5

　　data_ram[7] = 16'b0000000101011100; //mov [r3]，r4

　　data_ram[8] = 16'b1000000011110000; //mov r6，[0]

　　data_ram[9] = 16'b0000000000000000; //[0]

　　data_ram[10]= 16'b1000000100000110; //mov [255]，r6

　　data_ram[11]= 16'b0000000011111111;

　　data_ram[12]= 16'b0110011001011000; //jmp r3

　　*/

　　end

　　always @ (addr or rw or data)

　　if (rw)

　　data_ram[addr] = data;

　　assign data = rw ? 16'hzzzz ： data_ram[addr];

　　endmodule

　　設(shè)計(jì)中CPU外圍還需要一個(gè)內(nèi)存設(shè)備(Memory)，我用HDL對其建模，初始化的時(shí)候每個(gè)內(nèi)存地址上對應(yīng)的數(shù)據(jù)都初始化為隨機(jī)的，然后只有從0開始的一系列地址被初始化為我寫的代碼，機(jī)器碼對應(yīng)的匯編指令在注釋中已經(jīng)給出。

　　然后是結(jié)果，結(jié)果應(yīng)該是r2從0變化到5050(1+2+3+......+100=5050)

　　而r1則從100變化到0，變化到0后程序?qū)⑦M(jìn)入死循環(huán)，停止在jmp $那一條。這是仿真開始的時(shí)候：

　　大家可以看到初始化后，d0～d7都變成了0，這是r0～r7寄存器的Q端，而state_current和state_next則是狀態(tài)機(jī)的現(xiàn)態(tài)和狀態(tài)機(jī) 的次態(tài)，cpu的各個(gè)部件都通過這個(gè)狀態(tài)機(jī)受到控制。狀態(tài)名出現(xiàn)的順序和上面的FSM Viewer的連線順序是一樣的。

　　而且大家可以看到，d2從0變化到了0x64也就是十進(jìn)制100，說明已經(jīng)執(zhí)行了第一次加法了。

　　再來看看仿真結(jié)束：

　　這時(shí)候d1變化到了0而d2變化到了0x13ba(十進(jìn)制的5050)，說明程序已經(jīng)在我們設(shè)計(jì)的處理器里面運(yùn)行并且成功的得出了結(jié)果!

　　最后給出一些我用到的指令(跟x86的很像)：

　　add dst，src 將src和dst相加并且送到dst寄存器中

　　mov [addr]，src 將src的值送到以addr位地址的內(nèi)存單元

　　sub dst，src 將dst減去src并且送到dst中去

　　cmp dst，src 將dst減去src 然后不送到dst中 只改變標(biāo)志位

　　jz dst 當(dāng)zf=1時(shí)(即上次的算術(shù)操作結(jié)果為0)則跳轉(zhuǎn)到dst中去

　　最后再提一下：

　　我是用synplify綜合的電路，然后用debussy+modelsim仿真的。