大师教你如何制作一个简单的16位CPU（转载）

小七 · 发表于 2016-4-13 16:02:22

来源：大法师千寻百度贴吧

如何制作一个简单的16位CPU，首先我们要明确CPU是做什么的，想必各位都比我清楚，百度的资料也很全。。。。。
如果想要制作一个CPU，首先得明白下计算机的组成结构（或者计算机的替代品，因为并不是只有计算机有CPU，现在的电子产品都很先进，很多设备例如手机、洗衣机甚至电视和你家的汽车上面都得装一个CPU），数字电路基础，还最好有点编程的基础（当然，没有也没关系，这些知识都很容易获得，各种书上面都会提到，并且在接下来的过程中我会提到这些知识）

我们要实现的是一个RISC指令集的CPU，并且我们最后要自己为这个CPU设计指令并且编码。

首先我们来听个故事，关于CPU的诞生的故事：

日本客户希望英特尔帮助他们设计和生产八种专用集成电路芯片，用于实现桌面计算器。英特尔的工程师发现这样做有两个很大的问题。第一，英特尔已经在全力开发三种内存芯片了，没有人力再设计八种新的芯片。第二，用八种芯片实现计算器，将大大超出预算成本。英特尔的一个名叫特德?霍夫（Ted Hoff）的工程师仔细分析了日本同行的设计，他发现了一个现象。这八块芯片各实现一种特定的功能。当用户使用计算器时，这些功能并不是同时都需要的。比如，如果用户需要计算100个数的和，他会重复地输入一个数，再做一次加法，一共做100次，最后再打印出来。负责输入、加法和打印的电路并不同时工作。这样，当一块芯片在工作时，其他芯片可能是空闲的。

霍夫有了一个想法：为什么不能用一块通用的芯片加上程序来实现几块芯片的功能呢？当需要某种功能时，只需要把实现该功能的一段程序代码（称为子程序）加载到通用芯片上，其功能与专用芯片会完全一样。

经过几天的思考后，霍夫画出了计算器的新的体系结构图，其中包含4块芯片：一块通用处理器芯片，实现所有的计算和控制功能；一块可读写内存（RAM）芯片，用来存放数据；一块只读内存（ROM）芯片，用来存放程序；一块输入输出芯片，实现键入数据和操作命令、打印结果等等功能。

看完这个故事后，可以总结：CPU是一种用来代替专用集成电路的器件（这只是我的理解，不同人有不同理解，这个就智者见智了，我在接下来的例子中也会说明我的想法）。

然后考虑如下这个例子：

例1-1:

mov eax,0
repeat:inc eax
jmp repeat

复制代码

例1-2:

int main()
{
unsigned int i = 0;
while(1)
i++;
}

复制代码

例1-3:

可以看到，以上三个例子都产生了一个从0不断增加的序列，而且前两个例子会一直加到溢出又从0开始（这个取决于计算机的字长也就是多少位的CPU，eax是32位寄存器所以必然是加到4294967295然后回0，而后面那个c程序则看不同编译器和不同平台不一样），后面那个例子则看你用的是什么样的加法器和多少个D触发器

那问题就来了，我假设要一个递减的序列怎么办呢？前两个例子很好解释，我直接改代码不就得了：

例2-1:

mov eax,0
repeat:dec eax
jmp repeat

复制代码

例2-2:

int main()
{
unsigned int i = 0;
while(1)
i--;
}

复制代码

你只需要轻轻敲击键盘，修改了代码之后，它就会如你所愿的执行。

但是后面那个例子怎么办呢？可能你已经想到办法了：如例2-3所示。

例2-3:

问题就来了，你在键盘上敲两下可不能改变实际电路！上面（例1-3）中是个加法器，但是跑到这里却变成了减法器（例2-3）！

这样的话，你就得再做一个电路，一个用来算加法，一个用来算减法，可是两个电路代表你得用更多的电路和芯片，你花的钱就得更多，要是你不能同时使用这两个电路你就花了两份钱却只干了一件事！

这个问题能被解决吗？答案是能！

请看例3：

这个例子中使用了一个加法器一个减法器，没比上面的电路省（显然。。。。难道你想用减法器做加法器的功能？不可能吧！当然，加上一个负数的补码确实就是减去一个数，但是这里先不考虑这种问题），多了一组多路器，少了一组D触发器。总的来说，优势还是明显的（两块电路板和一块电路板的差别）。

而sel信号就是用来选择的（0是递增，1是递减）。

如果我们把sel信号看做“程序”的话，这个电路就像一个“CPU”能根据“程序”执行不同的“操作”，这样的话，通过“程序”（sel信号），这个电路就能够实现复用。

根据上面的结论，我认为（仅仅是个人认为啊~）：程序就是硬件电路的延伸！

而CPU的基本思想，我认为就是这样的。

接下来我们就分析CPU的结构和各个部件，然后实现这个CPU。

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