简单CPU设计实践_使用LogiSim设计CPU.pdf-资料库

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神秘是一种我们能够体验到的最美丽的东西。它是所有真正艺术和科学的源泉。 ——阿尔伯特.爱因斯坦简单 CPU 设计实践 King-Duan 本文通过一个简单的 CPU 模型设计，阐述 CPU 设计过程中的一些原理和经验。左家垅职业技术学院岳麓山 158157488@qq.com 2014/10/25

简单 CPU 设计实践目录开始前的话 ............................................... 3 总体组成 ................................................. 3 运算器 ................................................... 3 补码........................................................................................................................................... 3 算术单元 ................................................................................................................................... 4 逻辑单元 ................................................................................................................................... 5 算术逻辑单元 ........................................................................................................................... 6 移位器....................................................................................................................................... 7 运算器综合 ............................................................................................................................... 8 溢出判断 ................................................................................................................................... 9 运算器设计的总结和补充 ..................................................................................................... 11 寄存器组 ................................................ 11 注意事项 ................................................................................................................................. 11 使能端..................................................................................................................................... 12 构建寄存器组 ......................................................................................................................... 12 控制器 .................................................. 13 程序计数器 ............................................................................................................................. 14 指令寄存器 ............................................................................................................................. 14 数据通路设计 ......................................................................................................................... 14 控制字..................................................................................................................................... 15 指令译码器 ............................................................................................................................. 16 状态寄存器 ............................................................................................................................. 18 控制器综合 ............................................................................................................................. 18 CPU 综合 ................................................ 19 封装......................................................................................................................................... 19 指令周期和机器周期 ............................................................................................................. 21 编译器开发 .............................................. 23 结束语 .................................................. 24 参考资料 ................................................ 24 2

简单 CPU 设计实践开始前的话本人大学党一个，计算机科学与技术专业，平时对电子技术、计算机科学和软件技术有所研究，在此只是分享一些自己平时学习、游戏中的电子和计算机科学方面的经验，希望能够给同样学习中的人带来启发，另外如果有任何意见、建议、批评，欢迎提出来。由于对于大部分学电子和信息的同学来说，数电已能熟练掌握，所以在此略过数电的知识，如果对数电有些不明白的，可以参考其他数电教程。本教程开始之前要求至少要掌握：基本逻辑门、组合逻辑电路分析设计方法、译码器、编码器、数据选择器、比较器、加法器、三态门、基本触发器、锁存器、寄存器、移位寄存器、计数器。在这里采用的工具是 Logisim，这是一个较为简易的仿真工具，不会涉及具体的芯片，而是纯粹从原理的角度来分析仿真，对于简单的 CPU 仿真最合适不过了。此外，本人水平有限，文中难免出现纰漏和错误，欢迎指出！这里会从零开始，一步一步搭建电路，阐述原理，最终实现一个类似 MIPS 架构的 CPU。另外我会采用尽可能简洁的语言。总体组成 CPU 一般包括寄存器组、运算器和控制器。另外对于现代的 CPU，大都配置了 Cache。首先，让我们来构造运算器运算器一般简单 CPU 实现的运算操作有算术运算、逻辑运算和移位。算术运算主要包括加法、减法、曾 1、减 1 等，逻辑运算主要包括与、或、非、异或，移位实现左移右移或者不变。算术运算器实际上就是一个加法器和其他几个运算的结合体，那么减法怎么办呢？补码众所周知，A-B=A+(-B)，就这样，减法就转换成了加法，那么负数怎么表示？答案是用补码！实际上为了方便，我们把参与运算的数都用补码表示，定义正数和零的补码为本身，负数的补码为其反码加一（反码就是按位取反）。 3

简单 CPU 设计实践补码表示的时候，正数、零和负数可以很方便区分出来，最高位为 0，则为正数或零，最高位为 1，则为负数。不过在这里，我们还需要对运算结果按 2^n 取模（n 为位数），写成通式就是这样： [A-B]补=([A]补+[-B]补)mod 2^n，（A、B>=0）其实 mod 2^(n+1)的意思就是舍弃最高位的进位。举个例子，如果要计算八位二进制运算 5-3，可以这样做： [5]补=5=00000101B， [-3]补=[3]反+1=[0000011]反+1=11111100B+1=11111101B 然后做加法运算如果第一个是负数呢？情况也一样的，因为加法满足交换律，加法器的两个输入端也是对称的。如果小数减大数呢？例如 15-35（八位字长）： [15-35]补=([15]补+[-35]补)mod 2^8=(00001111B+11011101B)mod 2^8=11101100B=[-20] 补由此可以看出，当用补码表示整数的时候，加减法可以统一为加法运算。算术单元有了以上的理论就可以构造算术单元啦~ 实际上，两数相减时，还需要对第二个数求补码，求补的话，至少需要求反，另外我们不仅仅需要加法、减法，还需要增 1、减 1。增 1 可以通过低位进位端实现，减一可以通过加负一的补码实现，也就是加全一，所以综合以上，还需要在输入端加一个实现取反、全 0、全 1 或保持原样的模块。取反可以用非门实现，然后用数据选择器选择不同的通路，即可实现上述功能。 4

简单 CPU 设计实践一个简单的 4 选一数据选择器和一个加法器就构建出了一个算术单元，神奇吧！其中的 A 和 B 是 8 路数据输入，S1、S0 和 Cin 进行功能选择，右侧输出结果。实现的功能表很容易写出来：逻辑单元那么接下来就是逻辑单元了逻辑单元最简单了，与或非和异或就够用了吧！原理还是一样的，由两路信号输入，通过选择功能，输出结果！原理图 So easy！功能表 So easy！ 5

算术逻辑单元简单 CPU 设计实践接下来就是最最最重要的 ALU 即算术逻辑单元了说白了就是把算术单元和逻辑单元组合起来~ 分析：算术逻辑单元要实现的功能是对 A 和 B 进行特定操作，而进行哪种操作是需要选择的，所以输入端 A、B 和功能选择端是应该共用的，对于输出端，应该对算术和逻辑两者进行选择。 ALU 电路~ 功能表~ 6

移位器简单 CPU 设计实践除了算术和逻辑运算，我们通常还需要一种移位运算，在这里，因为速度要求很高，且不需要暂存，所以不采用移位寄存器，而是用组合逻辑电路的移位器。移位的原理是使用不同的接线，错位 N 位就实现了移动 N 位，所以需要用到数据选择器。对于一次一位的移位，只需要用二选一数据选择器。如果需要双向移动，则需要四选一。如果要一次移多位的话，需要用到桶形移位器，其复杂度会大大增加。八位桶形向左移位器可以一次移动 0~7 位 7

需要注意的是连线简单 CPU 设计实践运算器综合在以上各个部件的基础上，就能组成一个运算器了，当然这样的运算器还很简单，不过基本的运算能够满足了。 8

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