RISC CPU原型设计

第一节：认识CPU

科学计算

• 数学运算
数学运算以四则运算为基础+，-，*，/
主要是加法器电路，减法器电路，乘法器电路，除法器电路
运算数是否支持小数运算取决于运算电路

• 逻辑运算
逻辑运算以与，或，非，异或，同或，移位运算为基础
运算是否支持全部的逻辑运算取决于运算电路

1.1 CPU分类

1. Risc
CPU的设计思路概括起来有2种，第1种是以简代繁，即较少简单的电路实现复杂的功能。
优点：
• 电路结构精简，对于性能的提升的有很大的空间
• 由于电路结构精简，所以芯片可以做到小型化，既可以用于嵌入式设备，又可以用于PC，以及其它领域
• 便于软件人员开发
缺点：
• 理论上不支持无限功能扩展
• 程序的运行效率保障
特点：
• 定长指令（指令长度固定）
• 指令少，用有限的指令实现复杂的功能

2. Cisc
CPU的设计思路概括起来有2种，第2种通过功能扩展实现电路。
优点：
• 理论上支持功能的无限扩展，可实现很复杂的功能
缺点：
电路复杂，不利于译码
特点：
• 变长指令（指令长度不固定）
• 指令多，每一个功能设计一条或多条单独的指令，随着功能的扩展，指令会越来越多。

1.2 指令

1.2.1 指令分类

1. 0地址指令
例如：NOP ;

2. 1地址指令
例如：ld 0x03

3. 2地址指令
例如:
Sub 0x03 rs

4. 3地址指令
例如:
xSub 0x03 0x05 rs

5. 4地址指令
Jsadd 0x03 0x05 rs 0x06
注意：一条多地址指令可以由多条少地址指令组合在一起实现该功能。

1.2.2 汇编语言

1.3 计算机组成原理

1.3.1 基础组件

1. 程序计数器
用于产生下一条指令的指针，CPU需要人机交互，交互的指令保存在存储器中，在实际中我们需要顺序读取指令。

2. 指令寄存器
指令寄存器（IR，Instruction Register），用于暂存当前正在执行的指令。指令寄存器的时钟信号是clk，在clk的上升沿触发。指令寄存器将数据总线送来的指令存入16位的寄存器中，但并不是每次数据总线上的数据都需要寄存，因为数据总线上有时传输指令，有时传输数据。由CPU状态控制器的 Ir_ena信号控制数据是否需要寄存。复位时，指令寄存器被清零

3. Alu
CPU的核心组件，完成科学计算

4. 累加器
当我们ALU计算结果计算完成之后，我们需要把结果保存起来，需要一个寄存器，这个寄存器就是累加器。
在现在的CPU设计中除了累加器，都扩展了其它寄存器，比如标志寄存器，通用寄存器组。

5. 时序控制
核心是指令译码，它控制取指令，分析执行指令（指令译码）

第二节：RISC原型设计与验证

2.1 指令集设计

2.2 CPU总线设计

2.3 RISC架构设计

2.3.1 程序计数器

2.3.2 指令寄存器

2.3.3 AUL

2.3.4 累加器

2.3.5 指令译码

2.3.6 CPU总线控制程序设计

2.3.7 最小系统

2.3.8 SOC系统