16位CPU怎么做，DIY大神給你支支招兒

　　要理解這些概念需要一點時間。

　　一個CPU的基本結構以及必要組件

　　這個例子引用自DE2開發板套件帶的光盤上的Lab Exercise 9，我們從圖中可以看到，一個CPU包含了通用寄存器組R0～R7，一個ALU(算術邏輯單元)，指令寄存器IR，控制器(一般這部分是一個有限狀態機或 者是用微指令實現)，還有就是數據通路(圖中的連線)。當然真正的CPU不可能只包含這么一點點組件，這是一個模型CPU，也就是說只是說明CPU的原 理，真正復雜的CPU要涉及到很多復雜的結構和時序，例如虛擬模式需要使用一些特殊的寄存器、為了支持分頁需要使用頁表寄存器等，為了加速內存的訪問需要 使用TLB，加速數據和指令的訪問而使用data cache和instruction cache等等。。。。。當然，那都是后面該考慮的，所以我們先從這個簡單的部分開始講起。

　　例子中能實現如下指令：

　　mv指令將Ry的數據轉移到Rx中，mvi將立即數D轉移到Rx當中，add將Rx和Ry的和放到Rx中，sub同上，不過執行的是減法。

　　首先來說明mv指令是如何執行的：mv指令將Ry的值移入Rx寄存器當中，這兩個寄存器都是由一組D觸發器構成，而D觸發器的個數取決于寄存器的寬度，就像 32位機、64位機這樣，那他們的寄存器使用的D觸發器的個數就是不一樣的。當執行mv rx，ry時，中間的多路器(圖中最大的那個multiplexer)選通Ry，讓Ry寄存器驅動總線，這個時候Bus上的信號就是Ry的值;然后再看到 R0～R7上分別有R0in～R7in信號，這個信號是使能信號，當這個信號有效時，在上升沿此觸發器會將din的數據輸入，所以說到這里大家一定想到 了，這個時候Rx觸發器上的Din信號就會變為有效，這樣過了一個時鐘周期后Ry的值就被送到了Rx當中。

　　與mv指令類似，mvi指令也將一個數據送入Rx當中，只不過這次的數據存在指令當中，是立即數，所以Rx的Din信號會變為有效，而多路器會選擇IR中的數據，因為mvi指令的立即數存在指令當中。并且進行一定處理，例如擴展等。

　　add 指令會讓多路器先選擇Rx，然后Ain信號有效，這樣一個時鐘周期后，Rx數據被送入Alu的A寄存器當中，這時多路器選擇Ry，addsub信號為 add以指示ALU進行加法操作，Gin有效讓G寄存器存放運算結果，然后再過一個時鐘周期G當中的數據就是Rx與Ry的和，這時多路器再選擇 Gin，Rx的Din有效，過了一個時鐘周期后數據就被存放到Rx當中了。

　　sub的過程與add差不多，不過addsub信號是sub指示ALU進行減法。

　　我做的CPU模型

　　下面我就將我做的CPU模型的RTL網表發出來，代碼我會上傳的，但是這個還只能進行仿真，因為設計 的時候理念有問題，出現了異步設計，而且出現了將狀態機的輸出作為另一個器件的時鐘端的錯誤，所以這個模型只能用于仿真。我用的synplify pro綜合出的RTL，而狀態轉移圖是用的Quartus的FSM Viewer截下來的。

　　首先是整個系統的概覽：

　　這個比上面的那個簡單模型復雜多了吧!但是別擔心，其實這個只是上面的那個CPU變得稍微復雜了一點，這個和上面那個不同的地方還有：這個CPU是一個多周期CPU而上面的Lab Exercise是一個單周期的CPU

　　下圖是程序計數器(PC)，也就是常見x86處理器里面的ip(instruction poiniter)：

　　紅色部分就是pc了，后面是一個三態橋，連接到了總線上面，這里的數據有時候是要送到地址總線，用于尋內存中的數據，以便完成Instruction Fetch過程。有時候又要送到通用寄存器的數據端，用于將pc的值送到其他寄存器。

　　下面這個是IR(Instruction Register)，這個是多周期處理器的典型特征，因為處理器在第一個周期里面將機器碼從內存取出，然后存放到這個寄存器里面，后面的幾個狀態都是通過這個寄存器里面的數據作為指示執行操作的。

　　下面介紹一下ALU，ALU是Arithmetic Logic Unit，即算術邏輯單元，這個裝置的作用是進行算術操作和邏輯操作。典型的算術操作例

　　如：1+1=2，11x23=253，而典型的邏輯操作例如：1 and 1=1，0 or 0 = 0，1<<3=8這種屬于邏輯操作。

　　而從圖中大家也看得到，ALU的輸出用一根很長的線連接到了后面，參考整個CPU的圖的話，會發現這些線連到了通用寄存器上面，這是為了讓運算的結果存放回 去，例如你用add eax，1的時候，eax的值被加上1然后放回eax，所以ALU的運算結果要用反饋送回到通用寄存器，而ALU的輸入也應該有通用寄存器的輸出。

　　下面再介紹ADDRMUX：

　　這個部件是用來選擇地址的，右邊的輸出是CPU的地址總線，而CPU的地址總線就已經送出CPU了(也就是你能夠在芯片的外表上看到引腳了)，CPU的地址總線是送到存儲器的地址端的，而現代的計算機系統實際上是相當復雜的，所以其實你家的計算機上CPU是通過北橋芯片訪問內存的(當然也有將內存控制器做到 CPU里面的)左邊是地址的來源，地址的來源即有通用寄存器，也有程序計數器，還有一個是直接從IR里面送出，這是因為有的立即數里面也包含內存地址信息。

　　最后介紹通用寄存器：

　　通用寄存器的作用就是用來保存中間值或者用于運算，例如

　　add eax，2

　　相當于eax+2然后送回eax。

　　最后介紹一下狀態機，這個部分就是CPU的“靈魂”，如果說有了上面那些部件CPU有了一副“軀體”的話，這一部分就是CPU的“靈魂”了：