一個(gè)簡(jiǎn)單的8位處理器完整設(shè)計(jì)過(guò)程及verilog代碼,適合入門學(xué)習(xí)參考，并含有作者個(gè)人寫的指令執(zhí)行過(guò)程。

1. CPU定義

我們按照應(yīng)用的需求來(lái)定義計(jì)算機(jī)，本文介紹一個(gè)非常簡(jiǎn)單的CPU的設(shè)計(jì)，它僅僅用來(lái)教學(xué)使用的。我們規(guī)定它可以存取的存儲(chǔ)器為64byte，其中1byte=8bits。所以這個(gè)CPU就有6位的地址線A[5：0]，和8位的數(shù)據(jù)線D[7：0]。

我們僅定義一個(gè)通用寄存器AC（8bits寄存器），它僅僅執(zhí)行4條指令如下：

除了寄存器AC外，我們還需要以下幾個(gè)寄存器：

地址寄存器A[5：0]，保存6位地址。

程序計(jì)數(shù)器PC[5：0]，保存下一條指令的地址。

數(shù)據(jù)寄存器D[7：0]，接受指令和存儲(chǔ)器來(lái)的數(shù)據(jù)。

指令寄存器IR[1：0]，存儲(chǔ)指令操作碼。

2.取指設(shè)計(jì)

在處理器執(zhí)行指令之前，必須從存儲(chǔ)器取出指令。其中取指執(zhí)行以下操作：

1〉通過(guò)地址端口A[5：0]從地址到存儲(chǔ)器

2〉等待存儲(chǔ)器準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，讀入數(shù)據(jù)。

由于地址端口數(shù)據(jù)A[5：0]是從地址寄存器中讀出的，所以取指第一個(gè)執(zhí)行的狀態(tài)是

Fetch1： AR<—PC

接下來(lái)cpu發(fā)出read信號(hào)，并把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器M中讀入數(shù)據(jù)寄存器DR中。同時(shí)pc加一。

Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1

接下來(lái)把DR[7：6]送IR，把DR[5：0]送AR

Fetch3： IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0]

3.指令譯碼

Cpu在取指后進(jìn)行譯碼一邊知道執(zhí)行什么指令，對(duì)于本文中的CPU來(lái)說(shuō)只有4條指令也就是只有4個(gè)執(zhí)行例程，狀態(tài)圖如下：

4.指令執(zhí)行

對(duì)譯碼中調(diào)用的4個(gè)例程我們分別討論：

4.1 ADD指令

ADD指令需要CPU做以下兩件事情：

1〉從存儲(chǔ)器取一個(gè)操作數(shù)

2〉把這個(gè)操作數(shù)加到AC上，并把結(jié)果存到AC

所以需要以下操作：

ADD1：DR<—M

ADD2：AC<—AC+DR

4.2 AND指令

AND指令執(zhí)行過(guò)程和ADD相似，需要以下操作：

AND1：DR<—M

AND2：AC<—AC^DR

4.3 JMP指令

JMP指令把CPU要跳轉(zhuǎn)的指令地址送PC，執(zhí)行以下操作

JMP1： PC<—DR[5：0]

4.4INC指令

INC指令執(zhí)行AC+1操作

INC1： AC<—AC+1

總的狀態(tài)圖如下：

5 建立數(shù)據(jù)路徑

這一步我們來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)圖和相應(yīng)的寄存器傳輸。首先看下面的狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的寄存器傳輸：

Fetch1： AR<—PC

Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1

Fetch3： IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0]

ADD1：DR<—M

ADD2：AC<—AC+DR

AND1：DR<—M

AND2：AC<—AC^DR

JMP1： PC<—DR[5：0]

INC1： AC<—AC+1

為了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)路徑，我們可以采用兩種辦法：

1〉創(chuàng)造直接的兩個(gè)要傳輸組件之間的直接路徑

2〉在CPU內(nèi)部創(chuàng)造總線來(lái)傳輸不同組件之間的數(shù)據(jù)

首先我們回顧一下可能發(fā)生的數(shù)據(jù)傳輸，以便確定各個(gè)組件的功能。特別的我們要注意把數(shù)據(jù)載入組件的各個(gè)操作。首先我們按照他們改變了那個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)來(lái)重組這些操作。得到如下的結(jié)果：

AR：AR<—PC；AR<—DR[5：0]

PC：PC<—PC+1；PC<—DR[5：0]

DR：DR<—M

IR：IR<—DR[7：6]

AC：AC<—AC+DR；

AC<—AC^DR；

AC<—AC+1

現(xiàn)在我們來(lái)看每個(gè)操作來(lái)決定每個(gè)組件執(zhí)行什么樣的功能，AR，DR，IR三個(gè)組件經(jīng)常從其他的組件載入數(shù)據(jù)（從總線），所以只需要執(zhí)行一個(gè)并行輸入的操作。PC和AC能夠載入數(shù)據(jù)同時(shí)也能夠自動(dòng)加一操作。

下一步我們把這些組件連接到總線上來(lái)，如圖所示：

如上圖所示，各個(gè)組件與總線之間通過(guò)三態(tài)連接，防止出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)。AR寄存器送出存儲(chǔ)器的地址，DR寄存器用于暫存存數(shù)起來(lái)的數(shù)據(jù)。到現(xiàn)在為止我們還沒(méi)有討論有關(guān)的控制信號(hào)，我們現(xiàn)在只是保證了所有的數(shù)據(jù)傳輸能夠產(chǎn)生，我們將在后面章節(jié)來(lái)使這些數(shù)據(jù)傳輸正確的產(chǎn)生---控制邏輯。

現(xiàn)在我們來(lái)看以下者寫數(shù)據(jù)傳輸中有沒(méi)有不必要的傳輸：

1〉 AR僅僅提供數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器，所以他不需要連接到總線上。

2〉 IR不通過(guò)總線提供數(shù)據(jù)給任何組件，所以他可以直接輸出到控制單元（后面章節(jié)）。

3〉 AC不提供數(shù)據(jù)到任何的組件，可以不連接到總線上。

4〉總線是8bit寬度的，但是有些傳輸是6bit或者2bit的，我們必須制定寄存器的那幾位送到總線的那幾位。

5〉 AC要可以載入AC和DR的和或者邏輯與的值，數(shù)據(jù)路徑中還需要進(jìn)行運(yùn)算的ALU。

由此我們做以下工作：

1〉去掉AR，IR， AC與總線的連接。

2〉我們約定寄存器連接是從總線的低位開(kāi)始的。AR，PC連接到Bus[5：0]，由于IR是接受DR[7：6]的，所以可以連接到總線的Bus[7：6]。

3〉我們?cè)O(shè)定，AC作為ALU的一個(gè)輸入，另一個(gè)輸入來(lái)自總線Bus。

下面我們檢查是否有爭(zhēng)用總線的情況，幸運(yùn)的是這里沒(méi)有。修改后的CPU內(nèi)部組織圖如下：

6. ALU設(shè)計(jì)

這個(gè)CPU的ALU執(zhí)行的功能就是兩個(gè)操作數(shù)相加、邏輯與。這里不作詳細(xì)介紹。電路如如下：

7. 控制單元

現(xiàn)在我們來(lái)考慮如何產(chǎn)生數(shù)據(jù)路徑所需的控制信號(hào)，有兩種方法：硬布線邏輯和為程序控制。這里我們用硬布線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)簡(jiǎn)單的CPU需要的控制邏輯由三個(gè)部件組成：

1〉計(jì)數(shù)器：用于保存現(xiàn)在的狀態(tài)

2〉譯碼器：生成各個(gè)狀態(tài)的控制信號(hào)

3〉其他的組合邏輯來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)

一個(gè)通用的控制單元原理圖如下：

對(duì)于這個(gè)CPU來(lái)說(shuō)，一共有9個(gè)狀態(tài)。所以需要一個(gè)4bit的計(jì)數(shù)器和一個(gè)4-16的譯碼器。接下來(lái)的工作就是按照前面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)對(duì)狀態(tài)進(jìn)行賦值。

首先考慮如何的對(duì)譯碼輸出狀態(tài)進(jìn)行賦值才能達(dá)到最佳狀態(tài)。我們按照以下規(guī)則：

1〉給Fetch1賦計(jì)數(shù)器的0值，并用計(jì)數(shù)器的清零端來(lái)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)。由這個(gè)CPU的狀態(tài)圖可以看出，除了Fetch1狀態(tài)外的狀態(tài)都只能由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)化而來(lái)，F(xiàn)etch1需要從4個(gè)分支而來(lái)，這4個(gè)分支就可以發(fā)出清零信號(hào)（CLR）來(lái)轉(zhuǎn)移到Fetch1。

2〉把連續(xù)的狀態(tài)賦連續(xù)的計(jì)數(shù)器值，這樣就可以用計(jì)數(shù)器的INC輸入來(lái)達(dá)到狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。

3〉給每個(gè)例程的開(kāi)始狀態(tài)賦值時(shí)，要基于指令的操作碼和這個(gè)例程的最大狀態(tài)數(shù)。這樣就可以用操作碼來(lái)生成計(jì)數(shù)器的LD信號(hào)達(dá)到正確的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。首先，在Fetch3狀態(tài)發(fā)出LD信號(hào)，然后要把正確的例程地址放到計(jì)數(shù)器的輸入端。對(duì)這個(gè)CPU來(lái)說(shuō)，我們考慮以地址1 [IR] 0作為計(jì)數(shù)器的預(yù)置輸入。則得到狀態(tài)編碼如下：

如上表所示，下面我們需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的LD、INC、CLR等信號(hào)，總的控制單元的邏輯如下圖：

下面我們用這些譯碼信號(hào)來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)路徑控制所必需的AR、PC、DR、IR、M和ALU的控制信號(hào)。首先考慮寄存器AR，他在Fetch1狀態(tài)取PC的值，并在Fetch3狀態(tài)取DR[5：0]的值，所以我們得到ARLOAD=Fetch1 or Fetch3。以此類推我們可以得到如下結(jié)果：

PCLOAD=JMP1

PCINC=Fetch2

DRLOAD=Fetch1or ADD1 or AND1

ACLOAD=ADD2 or AND2

IRLOAD=Fetch3

對(duì)于ALU的控制信號(hào)ALUSEL是用來(lái)控制ALU做邏輯或者算數(shù)運(yùn)算的，所以有：

ALUSEL=AND2

對(duì)于片內(nèi)總線的控制較為復(fù)雜，我們先來(lái)看DR，對(duì)于DR他只在Fetch3、AND2 、ADD2和JMP1狀態(tài)占用總線進(jìn)行相信的數(shù)據(jù)傳輸，所以有：

DRBUS=Fetch3 or AND2 or ADD2 or JMP1

其他類似有：

MEMBUS=Fetch2or ADD1 or AND1

PCBUS=Fetch1

最后，控制單元需要產(chǎn)生存儲(chǔ)器的讀信號(hào)（READ），它發(fā)生在Fetch2、ADD1、AND1三個(gè)狀態(tài)：

READ=Fetch2or ADD1 or AND1

這樣我們得到了總的控制邏輯，完成了整個(gè)CPU的設(shè)計(jì)。

8.設(shè)計(jì)驗(yàn)證

我們執(zhí)行如下指令進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，

0：ADD4

1：AND5

2：INC

3：JMP0

4：27H

5：39H

指令執(zhí)行過(guò)程如下（初始化所有寄存器為全零態(tài)）：

審核編輯：湯梓紅