16位CPU怎么做，DIY大神給你支支招兒

　　如何制作一個簡單的16位CPU，首先我們要明確CPU是做什么的，想必各位都比我清楚，百度的資料也很全……

　　如果想要制作一個CPU，首先得明白下計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)(或者計(jì)算機(jī)的替代品，因?yàn)椴⒉皇侵挥杏?jì)算機(jī)有CPU，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品都很先進(jìn)，很多設(shè)備例如手機(jī)、洗衣機(jī)甚至電 視和你家的汽車上面都得裝一個CPU)，數(shù)字電路基礎(chǔ)，還最好有點(diǎn)編程的基礎(chǔ)(當(dāng)然，沒有也沒關(guān)系，這些知識都很容易獲得，各種書上面都會提到，并且在接下來的過程中我會提到這些知識)

　　我們要實(shí)現(xiàn)的是一個RISC指令集的CPU，并且我們最后要自己為這個CPU設(shè)計(jì)指令并且編碼。

　　首先我們來聽個故事，關(guān)于CPU的誕生的故事：

　　日本客戶希望英特爾幫助他們設(shè)計(jì)和生產(chǎn)八種專用集成電路芯片，用于實(shí)現(xiàn)桌面計(jì)算器。英特爾的工程師發(fā)現(xiàn)這樣做有兩個很大的問題。第一，英特爾已經(jīng)在全力開發(fā) 三種內(nèi)存芯片了，沒有人力再設(shè)計(jì)八種新的芯片。第二，用八種芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算器，將大大超出預(yù)算成本。英特爾的一個名叫Ted Hoff 的工程師仔細(xì)分析了日本同行的設(shè)計(jì)，他發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象。這八塊芯片各實(shí)現(xiàn)一種特定的功能。當(dāng)用戶使用計(jì)算器時，這些功能并不是同時都需要的。比如，如果用戶需要計(jì)算100個數(shù)的和，他會重復(fù)地輸入一個數(shù)，再做一次加法，一共做100次，最后再打印出來。負(fù)責(zé)輸入、加法和打印的電路并不同時工作。 這樣，當(dāng)一塊芯片在工作時，其他芯片可能是空閑的。

　　Hoff有了一個想法：為什么不能用一塊通用的芯片加上程序來實(shí)現(xiàn)幾塊芯片的功能呢?當(dāng)需要某種功能時，只需要把實(shí)現(xiàn)該功能的一段程序代碼(稱為子程序)加載到通用芯片上，其功能與專用芯片會完全一樣。

　　經(jīng)過幾天的思考后，霍夫畫出了計(jì)算器的新的體系結(jié)構(gòu)圖，其中包含4塊芯片：一塊通用處理器芯片，實(shí)現(xiàn)所有的計(jì)算和控制功能;一塊可讀寫內(nèi)存(RAM)芯片， 用來存放數(shù)據(jù);一塊只讀內(nèi)存(ROM)芯片，用來存放程序;一塊輸入輸出芯片，實(shí)現(xiàn)鍵入數(shù)據(jù)和操作命令、打印結(jié)果等等功能。

　　看完這個故事后，可以總結(jié)：CPU是一種用來代替專用集成電路的器件(這只是我的理解，不同人有不同理解，這個就智者見智了，我在接下來的例子中也會說明我的想法)。

　　然后考慮如下這個例子：

　　例1-1：

　　mov eax，0

　　repeat：inc eax

　　jmp repeat

　　例1-2：

　　int main()

　　{

　　unsigned int i = 0;

　　while(1)

　　i++;

　　｝

　　例1-3：

　　可以看到，以上三個例子都產(chǎn)生了一個從0不斷增加的序列，而且前兩個例子會一直加到溢出又從0開始(這個取決于計(jì)算機(jī)的字長也就是多少位的CPU，eax是 32位寄存器所以必然是加到4294967295然后回0，而后面那個c程序則看不同編譯器和不同平臺不一樣)，后面那個例子則看你用的是什么樣的加法器和多少個D觸發(fā)器

　　那問題就來了，我假設(shè)要一個遞減的序列怎么辦呢?前兩個例子很好解釋，我直接改代碼不就得了：

　　例2-1：

　　mov eax，0

　　repeat：dec eax

　　jmp repeat

　　例2-2：

　　int main()

　　{

　　unsigned int i = 0;

　　while(1)

　　i--;

　　｝

　　你只需要輕輕敲擊鍵盤，修改了代碼之后，它就會如你所愿的執(zhí)行。

　　但是后面那個例子怎么辦呢?可能你已經(jīng)想到辦法了：如例2-3所示。

　　例2-3：

　　問題就來了，你在鍵盤上敲兩下可不能改變實(shí)際電路!上面(例1-3)中是個加法器，但是跑到這里卻變成了減法器(例2-3)!

　　這樣的話，你就得再做一個電路，一個用來算加法，一個用來算減法，可是兩個電路代表你得用更多的電路和芯片，你花的錢就得更多，要是你不能同時使用這兩個電路你就花了兩份錢卻只干了一件事!

　　這個問題能被解決嗎?答案是能!

　　請看例3：

　　這個例子中使用了一個加法器一個減法器，沒比上面的電路省(顯然……難道你想用減法器做加法器的功能?不可能吧!當(dāng)然，加上一個負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼確實(shí)就是減去 一個數(shù)，但是這里先不考慮這種問題)，多了一組多路器，少了一組D觸發(fā)器。總的來說，優(yōu)勢還是明顯的(兩塊電路板和一塊電路板的差別)。

　　而sel信號就是用來選擇的(0是遞增，1是遞減)。

　　如果我們把sel信號看做“程序”的話，這個電路就像一個“CPU”能根據(jù)“程序”執(zhí)行不同的“操作”，這樣的話，通過“程序”(sel信號)，這個電路就能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用。

　　根據(jù)上面的結(jié)論，我認(rèn)為(僅僅是個人認(rèn)為啊～)：程序就是硬件電路的延伸!

　　而CPU的基本思想，我認(rèn)為就是這樣的。

　　接下來我們就分析CPU的結(jié)構(gòu)和各個部件，然后實(shí)現(xiàn)這個CPU。

　　什么是單周期CPU，什么是多周期CPU，什么是RISC，什么是CISC

　　首先大家得有時鐘的概念：這個問題不好解釋 啊。。。。。。可以理解為家里面的機(jī)械鐘，上上電池之后就會滴答滴答走，而它“滴答滴答”的速度就是頻率，滴答一下用的時間就是周期，而人的工作，下班， 吃飯和學(xué)習(xí)娛樂都是按照時鐘的指示來進(jìn)行的(熬夜的網(wǎng)癮少年不算)，一般來說，時鐘信號都是由晶體振蕩器產(chǎn)生的，0101交替的信號(低電平和高電平)。

　　數(shù)字電路都需要一個“時鐘”來驅(qū)動，就像演奏交響樂的時候需要一個指揮家在前面指揮一樣，所有的人都會跟著指揮的拍子來演奏，就像數(shù)字電路中所有的部件都會跟著時鐘節(jié)拍工作一樣。

　　如下是一個理想的時鐘信號：(注意是理想的)。

　　當(dāng)然，實(shí)際的時鐘信號可能遠(yuǎn)沒有這么理想，可能上升沿是斜的，而且占空比也可能不是50%，有抖動，有偏移(相對于兩個器件)，可能因?yàn)閷?dǎo)線的寄生電容效應(yīng)變得走形。

　　上面那段如果沒聽懂也沒關(guān)系～～～反正就是告訴你，實(shí)際的時鐘信號測出來肯定沒這么標(biāo)準(zhǔn)。

　　而 cpu的工作頻率，是外頻與倍頻的積(cpu究竟怎么算頻率，其實(shí)這個我也不太清楚呵呵)，因?yàn)閏pu是通過外部的晶振產(chǎn)生一個時鐘信號，然后再通過內(nèi)部 的電路(鎖相環(huán))，倍頻至需要的頻率。當(dāng)然，有人問，為什么要這么麻煩呢?直接在電路外邊做個時鐘晶振能產(chǎn)生那么高的時鐘信號就可以了嘛，這個是可以的， 在某些簡單的系統(tǒng)上(例如51單片姬)就是這樣的，但是計(jì)算姬的cpu比較復(fù)雜，因?yàn)橐恍┰蛩员仨氁龅絚pu內(nèi)。

　　下面簡單說一下CPU的兩種指令集：CISC和RISC。

　　說下我的看法(個人看法，如有錯誤還請高手指正)：

　　RISC是Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計(jì)算機(jī)，典型例子是MIPS處理器。

　　CISC 是Complex Instruction Set Compute，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，典型例子是x86系列處理器(當(dāng)然現(xiàn)在的x86指令還是當(dāng)初cisc的指令，但是實(shí)際處理器的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)變成了 risc結(jié)構(gòu)了，risc的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流水線等特性比較容易，在計(jì)算機(jī)前的你如果用的是intel某系列的處理器，則它使用的指令集看上去還是像cisc的 指令，但是實(shí)際上你的cpu的結(jié)構(gòu)已經(jīng)是risc的了)。

　　一般CISC的處理器需要用微指令配合運(yùn)行，而RISC全部是通過硬連線實(shí)現(xiàn)的， 也就是說，當(dāng)cisc的處理器在執(zhí)行你的程序前，還得先從另外一個rom里面讀出一些數(shù)據(jù)來“指導(dǎo)”處理器怎么處理你的命令，所以cisc效率比較低，而 risc是完全通過部件和部件之間的連接實(shí)現(xiàn)某種功能，極大的提高了工作效率，而且為流水線結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。cisc的寄存器數(shù)量較少，指令能夠?qū)? 現(xiàn)一些比較特殊的功能，例如8086的一些寄存器：

　　ax，bx，cx，dx，si，di等;段寄存器有：cs，ds，es，ss等。相對的指令功能比較特殊，例如xlat將bx中的值作為基地址，al中的值作為偏移，在內(nèi)存中尋址到的數(shù)據(jù)送到al當(dāng)中(以ds為段寄存器)

　　而risc的處理器則通用寄存器比較多，而指令的功能可以稍微弱一點(diǎn)，例如：

　　以nios嵌入式處理器來說明，nios處理器有32個通用寄存器(r0～r31)，而指令功能相對x86的弱一些，而且x86進(jìn)行內(nèi)存訪問是直接使用mov指令，nios處理器讀內(nèi)存用的是load，寫內(nèi)存用的是store，

　　二者響應(yīng)中斷的方式也不一樣，舉一個典型的例子，x86的處理器將中斷向量表放在了內(nèi)存的最低地址(0-1023，每個中斷向量占四個字節(jié))，能容納256 個中斷(以實(shí)模式的8086舉例)響應(yīng)中斷時，將中斷號對應(yīng)的地址上的cs和ip的值裝入到cs和ip寄存器而將原來的地址保存，并且保存狀態(tài)寄存器然后 進(jìn)入中斷處理，而risc則擁有一個共同的中斷響應(yīng)函數(shù)，這個函數(shù)會根據(jù)中斷號找到程序向系統(tǒng)注冊的函數(shù)的地址，并且調(diào)用這個函數(shù)。一般來說而是用的 cisc指令的長度是不定的，例如x86的xor ax，bx對應(yīng)機(jī)器碼是0x31d8、而push ax是0x50、pop cx是0x59。而risc的指令確是定長的，例如32位。