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7、设计一个只有4条指令的CPU


我们要设计一个简单的CPU

既然做CPU，我们要做流水线的，要简单，做2级流水线就够了。

为了实例的简单，我们选择设计一个8bit的MCU的内核
仍然我们要简单，所以选择RISC的内核，类似PIC的结构
还是为了要简化，我们只支持4条指令
继续为了要简化，我们不考虑Status寄存器

有人会问，只有4条指令，你还加减法都有，有一个不就可以了。
这也是我有意的，你想，假设ALU只能做加法，你不觉得ALU这个名称太不名副其实了吗。

mov  A,#35H 把立即数mov到A寄存器
add  A,#42H (A) + 12 -> A
sub  A,#62H (A) - 12 -> A
JMP  imd    跳转到某地址


我们先给他们做机器编码，我们用16bit宽度的指令集编码

0x0035      00是MOV的OP code
0x0142      01是ADD的OP Code
0x0265      02是SUB的OP code
0x8000      80是JMP的OP CODE

我们继续看，指令集，用Verilog的方式来描述
16'b0000_0000_????_????     MOV
16'b0000_0001_????_????     ADD
16'b0000_0010_????_????     SUB
16'b1???_????_????_????     JMP

我们可以看到JMP的跳转地址范围是15个bit地址，也就是32K地址范围

有人说ALU很重要，好，我们就先来看ALU的组成,因为只有加减2种情况，所有ALU的OP代码只用1个bit表示
op为1的时候，做加法，为0的时候做减法。

module alu(input op, input[7:0] in1, input[7:0] in2, output[7:0] out)
    assign out = op ? (in1+in2) : (in1-in2);

看到上面的代码，估计不少人大跌眼镜，莫非传说中的alu就这么简陋。
没错，如果你只要做加法和减法，而且不考虑进位和溢出的ALU，就是这么easy的。

好了，cpu的运转过程，包括加载指令，解码指令，执行指令，大家都知道。

我们还要使用流水线技术，虽然这里不用也许更简单，但我们的目标是学习。

      一  |   加载指令1   |   加载指令2    |   加载指令3    |   ..........
----------+---------------+----------------+----------------+-----------------
      二  |               |   解码1 执行1  |   解码2 执行2  |   解码3 执行3

我们可以看到加载和解码和执行，并没有在一个周期中完成，而是分开了
在运行第二条指令的时候，CPU正在加载第三条指令，一心二用，事事不耽搁。

clkcnt;

always @(posdge clk)
    if(nCS)
        clkcnt <= 0;
        instr <= 0;
    else
        instr <= rom_dat_out;


下面是CPU的解码和执行过程

always @(posdge clk)
    if(!nCS)
    casex(instr)
        16'b0000_0000_????_????:        //MOV
            begin
                acc <= instr[7:0];
                pc <= pc + 16'h0001;
            end
        16'b0000_0001_????_????:        //ADD
            begin
                acc <= aluout;
                pc <= pc + 16'h0001;
            end
        16'b0000_0010_????_????:        //SUB
            begin
                acc <= aluout;
                pc <= pc + 16'h0001;
            end
        16'b1???_????_????_????:        //JMP
            begin
                pc <= instr[14:0];
                pc <= pc + 16'h0001;
            end


下面完成CPU核心和ALU之间的连线

assign aluop  = (instr[15:8]==8'h01);
assign aluin1 = acc;
assign aluin2 = instr[7:0];

alu alu1(aluop, aluin1, aluin2, aluout);

有人说，只看到执行指令，没看到解码指令的过程，有木有啊？当然有

16'b0000_0000_????_????     MOV
16'b0000_0001_????_????     ADD
16'b0000_0010_????_????     SUB
16'b1???_????_????_????     JMP

这几个逐个的case不就是在做解码？只是没有独立的解码步骤而已，因为太简单了嘛。

还有个地方，我故意做了遗漏，就是JMP指令的处理。

所谓流水线，就是取指和执行是同时的，但JMP的到来，带来了异常。
正常都是PC加一，所以取指其实一直在取下一条指令，而JMP的目标是不确定的，所以取的指令就不对了

我们一般称之为预测失败，然后继续取JMP目标地址的指令，但执行部分，会有一个空的指令周期。
从CPU的用户角度看，就是JMP指令要使用2个指令周期。

CPU的设计基本到此结束了。
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