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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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