深入设计电子计算器(一)——CPU框架及指令集设计

前几天写了一篇《如何设计一个电子计算器》,一个朋友看了之后说实在太low,好吧,依照他的意思,那我就采用文中FPGA设计的方式,然后自己从指令集设计cpu设计汇编器设计汇编程序设计一路设计过去,完全从零开始设计,再多写个几篇水文,组一个系列,取名就叫《深入设计电子计算器》。基本的计算器原理方面,还是先看一下《如何设计一个电子计算器》。

  • CPU整体结构

我设计的第一步,是设计CPU整体的框架。我打算采用哈佛结构,即指令存储数据存储分离,两套总线。

  虽然这是一个简单的演示处理器,当然也是要引入中断机制,外部接两个中断信号,应该是足够的,一个用于定时器用,一个用于外部中断。另外,考虑到中断的方式以及中断嵌套、排队等关系,使用一个中断控制器会比较方便。

  另外,CPU最终目的用来控制IO,得有一个IO控制器来做所有通用IO的管理。

  为了方便的控制定时器、中断控制器、IO控制器,可以把这三者都接到数据总线上,简单便利。有的处理器的数据总线只访问RAM,其他硬件的访问再开一套通信借口,这可能是基于历史的原因,这使得在不嵌入汇编或者引入库的情况下无法用C语言完成所有的操作。我这里设计的虽然不是完全按RISC来,但也还是使用RISC的逻辑,不会为设备独立开一套通信机制。

  总而言之,整个CPU架构如下:

  • CPU核的考虑

CPU核是CPU的关键所在。想起09年时想在chinaunix的CPU与编译器版召集大家一起来设计一个32位处理器来学习学习,并移植gcc或者llvm来编译C语言,当时考虑做一个RISC,采用三条流水线,最终移植编译器有人而一起设计CPU没人,所以不得不作罢,想来也有些可惜。当然,本系列只是一个抛砖引玉,我并不打算用较深的原理来设计这个例子CPU,那会花费很多的时间与精力,而是以此作为一个例子。

  但虽为例子,也是应该可以完好的运行才行,这里可以采取早年的单片机思路。早年的单片机并非流水线架构,每条指令的执行过程取指令、译码、取操作数、执行等是顺序关系,虽然效率低,但对于单片机的很多应用来说足够了。

  另外一点,RISC的等长指令是很值得考虑的,否则取指令的过程都是一个包含译码在内的状态机,所以等长指令还是很吸引人的。

  于是,考虑到这里,我打算设计此CPU为16位处理器,CPU核中有8个通用寄存器,为r0~r7,都为16位寄存器。当然,指令存储和数据存储分开,采用哈佛结构,两套总线,这个之前已经提过。另外,指令为等长指令,每个指令2个字节,也就是16bits。有个2字节的PC代表当前指令的ROM地址/2。

  另外,所有通用寄存器上复位之后初始值全为0。

  • 中断向量

指令ROM上提供三个地址,分别用于复位、定时器中断、外部中断起始运行指令地址。

  这三个地址分别是:

复位

0X00000000

定时器中断

0X00000006

外部中断

0X0000000C

之所以我设计此处,每两个中断之间差6个字节,是因为可以足够写上三条指令,从而跳转到任意指令地址。

  • 标志

共有Z、G、L、I四个标志。

  指令集中,所有的赋值指令、算术指令、逻辑指令都会影响ZGL三个标志,相关的会根据结果设置,不相关的会清零。所有的赋值指令、算术指令(mul/unul/div/udiv除外)、逻辑指令计算得到零的,都会设置Z标志。sub/subi/cmp/ucmp/cmpi/ucmpi同时也与GL两个标志关联,G意味着大于,L意味着小于,sub/subi的GL标志设置是由无符号来判断的。

  所有的条件跳转指令(bz/bnz/bg/bl/bgz/blz)如果跳转成功,则ZGL都被清零,否则不变。

  b/br/call/callr/ret会清零ZGL。

  I标志在中断时被设置,reti调用之后恢复中断前压栈的所有寄存器、标志(见后,不排除存在中断嵌套的情况,使得reti之后紧接着依然是I标志被设置)。

  r7为栈指针。

  压栈是指将指定的值传入r7*2所指向的数据RAM,然后r7自加1。

  退栈是指r7先自减1,然后r7*2所指向的数据RAM传出到指定的寄存器。

   中断的压栈比较特殊,因为中断之后要恢复之前所有一切不包括RAM在内的CPU状态,包括所有通用寄存器、标志、PC,reti之后也会把这些退栈恢复。

  • 指令集

  指令集的设计基于以下两个原则:

(1)指令完备

要涵盖赋值、计算、跳转以及RAM和寄存器之间的互传,还要考虑如何支持中断处理以及对过程调用(C语言函数)的支持。

(2)指令等长

  每条指令2个字节,也就是16bits,每条指令尽量可以表达更多的信息,也就是尽量用满这16bits。我们的指令数范围大约16~31,于是操作用5bits编码,通用寄存器有8个,所以指定寄存器用3bits编码。

  设置以下指令:(rn、rm这里,n、m为寄存器数字编号;i为立即数,但不同指令范围有区别;=>代表将左边的值赋值给右边;[rn]在这里代表rn*2地址的数据RAM里的数据)

赋值指令:

mov rn,rm,i

rm+i=>rn

此处i为立即数,范围-16~15

movi rn,i

i=>rn

此处i为立即数,范围0~255

movli rn,i

i=>rn[7:0]

此处i为立即数,范围0~255

movhi rn,i

i=>rn[15:8]

此处i为立即数,范围0~255

movtr rn,rm

rm=>[rn]

movfr rn,rm

[rm]=>rn

movitr rn,rm

ROM[rm]=>rn

将rm*2地址的指令ROM内容取出放进rn寄存器,主要为了兼容C语言

算术指令:

很多单片机未必有乘法和除法指令,我考虑了一下还是加上这两类指令。而对于很多CPU都有的除零错误,我这里决定不给出。

add rn, rm,i

rn+rm+i=>rn

此处i为立即数,范围-16~15

sub rn,rm,i

rn-rm-i=>rn

此处i为立即数,范围-16~15

addi rn,i

rn+i=>rn

此处i为立即数,范围0~255

subi rn,i

rn-i=>rn

此处i为立即数,范围0~255

mul rn,rm

rnXrm=>r2:r3

此为有符号整数乘法,结果中r2为高16位,r3为低16位

umul rn,rm

rnXrm=>r2:r3

此为无符号整数乘法,结果中r2为高16位,r3为低16位

div rn,rm,rq

r2:r3/rn=>rm,rq

有符号除法,rn为除数,rm为商,rq为余数

udiv rn,rm,rq

rnXrm=>r2:r3

无符号除法,rn为除数,rm为商,rq为余数

cmp rn,rm

有符号比较,并设置ZGL标志

不影响通用寄存器的值,具体语意见后面

ucmp rn,rm

无符号比较,并设置ZGL标志

不影响通用寄存器的值,具体语意见后面

cmpi rn,i

有符号比较,并设置ZGL标志

不影响通用寄存器的值,i范围-128~127

ucmpi rn,i

无符号比较,并设置ZGL标志

不影响通用寄存器的值,i范围0~255

逻辑指令:

and rn, rm, rq

rm&rq=>rn

or rn, rm, rq

rm|rq=>rn

xor rn, rm, rq

rm^rq=>rn

not rn, rm

~rm=>rn

sl rn,rm,i

rm<<i=>rn

i为立即数,范围0~15

sr rn,rm,i

rm>>i=>rn

i为立即数,范围0~15

slr rn,rm,rq

rm<<rq[3:0]=>rn

srr rn,rm,rq

rm>>rq[3:0]=>rn

testb rn,i

用寄存器rn的第i位取反的值设置Z标志

本指令不影响通用寄存器,i范围为0~15

testbr rn,rm

用寄存器rn的第rm[3:0]位取反的值设置Z标志

本指令不影响通用寄存器,i范围为0~15

栈指令:

pushi i

将i压栈

压栈的意义见说明,i的范围为0~2047

push rn

将rn的值压栈

压栈的意义见说明

pop rn

退栈,值赋给rn

退栈的意义见说明

跳转指令:

  这里的跳转指令考虑了我两周,主要是希望C语言的兼容,以及指令的完备。从而涉及到一些标志问题,从而要返到前面去考虑前面指令的意图,另外又在前面添加了cmp指令和testb指令。

b i

无条件跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

br rn

无条件跳转到rn*2的指令地址

此处i范围为-1024~1023

bz  i

如果Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

bnz i

如果Z标志未置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

bg i

如果G标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

bl i

如果L标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

bgz i

如果G标志或Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

blz i

如果L标志或Z标志被置起则跳转到当前指令地址+i*2

此处i范围为-1024~1023

call i

把下一条指令地址压栈,并跳转到当前指令地址+i*2的指令地址

此处i范围为-128~127

callr rn

把下一条指令地址压栈,并跳转到rn*2的指令地址

ret

出栈两个字节,然后跳转到这2个字节的值*2的指令地址

reti

中断例程返回

具体语意见“栈”、“标志”

这些指令对于CPU基本是完备了。

  • 机器码指令

每个指令编码2个字节,如下所示,op就是编码的2个字节16bits,其中没有被编的bit,填0即可。

mov rn,rm,i

0=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]

movi rn,i

1=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

movli rn,i

2=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

movhi rn,i

3=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

movtr rn,rm

4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15:14]

movfr rn,rm

4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15:14]

movitr rn,rm

4=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],2=>op[15:14]

add rn, rm,i

5=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]

sub rn,rm,i

6=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[15:11]

addi rn,i

7=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

subi rn,i

8=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

mul rn,rm

9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15:14]

umul rn,rm

9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15:14]

div rn,rm,rq

9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],2=>op[15:14]

udiv rn,rm,rq

9=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],3=>op[15:14]

cmp rn,rm

10=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],0=>op[15]

ucmp rn,rm

10=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15]

cmpi rn,i

11=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

ucmpi rn,i

12=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[15:8]

and rn, rm, rq

13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],0=>op[15:14]

or rn, rm, rq

13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],1=>op[15:14]

xor rn, rm, rq

13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],2=>op[15:14]

not rn, rm

13=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],3=>op[15:14]

sl rn,rm,i

14=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[14:11],0=>op[15]

sr rn,rm,i

14=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],i=>op[14:11],1=>op[15]

slr rn,rm,rq

15=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],0=>op[15]

srr rn,rm,rq

15=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],q=>op[13:11],1=>op[15]

testb rn,i

16=>op[4:0],n=>op[7:5],i=>op[11:8],0=>op[15]

testbr rn,rm

16=>op[4:0],n=>op[7:5],m=>op[10:8],1=>op[15]

pushi i

17=>op[4:0],i=>op[15:5]

push rn

18=>op[4:0],n=>op[7:5],0=>op[15]

pop rn

18=>op[4:0],n=>op[7:5],1=>op[15]

b i

19=>op[4:0],i=>op[15:5]

br rn

20=>op[4:0],n=>op[7:5]

bz  i

21=>op[4:0],i=>op[15:5]

bnz i

22=>op[4:0],i=>op[15:5]

bg i

23=>op[4:0],i=>op[15:5]

bl i

24=>op[4:0],i=>op[15:5]

bgz i

25=>op[4:0],i=>op[15:5]

blz i

26=>op[4:0],i=>op[15:5]

call i

27=>op[4:0],i=>op[15:5]

callr rn

28=>op[4:0],n=>op[7:5]

ret

29=>op[4:0],0=>op[15]

reti

29=>op[4:0],1=>op[15]

  还有30/31两个指令类型没有使用,将来有必要还可以扩展一下。其实testb/testbr可以和cmp/ucmp合用,这样就又可以多出来一个,不过看在两者有点区别的份上,就算了。

  以上为本系列的第一篇,花了我一定的精力,我也尽力尽快补上接下来的几篇,过程中错误难免,希望大家给予指正。

《深入设计电子计算器》