中央处理器(Central Processing Unit, CPU)

CPU的基本架构和工作原理其实百科上讲得已经相当清楚了，不过我觉得有些事情呢还是给个例子出来比较方便学习。
本文会先从内存地址，计算机的一般架构之类的基础知识出发，然后逐步为读者"拼装"出一个超级简单的8-bit CPU。。。就像下图这样（大图点开）

这就是本文的目标：拼装这样一个结构的CPU

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

上面那个大图里有几个梯形的符号
它们叫做数据选择器(Multiplexer)，也叫多路选择器或多路开关
已经知道这个东西是干啥的童鞋直接跳过此楼吧。。

这图是一个2选1选择器，A,B,S为输入，Z为输出，它们可取的值当然都只有0和1
怎么工作的呢？
以该图为例：
当S=1的时候，输出值Z = 输入值B
当S=0的时候，输出值Z = 输入值A
比如说A=1,B=0,S=0的时候输出是多少？S=0就是说：选择A的值输出，也就是说输出值Z=A=1
就这么简单

同样地，我们也可以有4选1选择器

只不过控制输入S变成了两位(00,01,10,11，分别对应一二三四)，道理还是一样的

如果你对这个东东怎么做成的感兴趣的话。。。下面就是4选1选择器的其中一种电路 = =

哦，还有。。本文使用的逻辑门符号均是ANSI/IEEE Std 91-1984中的Distinctive shape，不是用方框符号。。。= =

你只要知道数据选择器是干啥的就好，不用惦记上边那电路。。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. 计算机架构(Computer Architecture)

CPU、内部存储器(Internal Storage Device)和输入/输出设备(Input/Output Device, I/O)是电子计算机三大核心部件。内部储存器可以是硬盘，内存，缓存等；输入设备可以是鼠标，键盘；输出设备可以有屏幕，音箱等等。。

当你打开电脑硬盘上安装的某个程序时，你的操作系统会把硬盘上的相应内容放入内存中。至于怎么放，在内存的什么地方放那可是一门大学问，光这个就够一般人喝一壶的。。相关知识可以在大学的操作系统课程里学到

比如说你放个音乐。要放音乐，先用鼠标点开一个mp3文件，于是你就使用了一个输入设备。这个输入设备会把一个中断请求(Interrupt Request)送到CPU那边，结合来自操作系统的信息后CPU就知道：哦，你用鼠标点开那个mp3文件了！于是：
1. CPU执行操作系统里关于文件关联的代码，于是你的电脑就知道要用WMP打开文件了
2. 你的操作系统开始把WMP这个程序里含有的指令和mp3文件的内容从硬盘上拉进内存里(还是CPU的工作)
3. 然后你的CPU开始一条一条地(双核的话那你就当成两条两条地好了)执行内存里的WMP程序指令(也就是如何解码mp3)，并且把解码后的PCM比特流传到声卡上，再由声卡把数字信号转换成模拟信号送到音箱/耳机（输出设备）里。So now you have music！

又比如说你要编辑一个txt文件。还是先得用鼠标点开文件，又用了一次输入设备。于是：
1. CPU执行操作系统里关于文件关联的代码，于是你的电脑就知道要用notepad打开文件了
2. 你的操作系统把notepad的程序指令和文件内容拉进内存
3. 然后你的CPU又开始执行Notepad程序的指令了
4. 每当你敲一次键盘(还是输入设备！！)，都会向CPU发送一个中断请求好让CPU知道你敲了某个键。比如说你敲个Y，那么CPU就会把Y这个字符写进内存里。然后你要保存的时候操作系统就会把内存里改过的东东倒进硬盘里！~

。。。好吧我承认实际过程跟这儿说的不大一样并且复杂得多，有些细节会在后面详细讲，but that's the basic idea.

这大约就是CPU，输入/输出设备和内存之间的互动方式了。

---------------------------------------------------------------------------------------------------

2.内存(Memory)

内存就是暂时存储程序以及数据的地方，比如当我们在使用WPS处理文稿时，当你在键盘上敲入字符时，它就被存入内存中，当你选择存盘时，内存中的数据才会被存入硬盘。一断电内存上的东东就没了

内存里的数据是根据内存地址(Memory Address)来组织的。每个地址都是独特的，每个地址一般来说对应着一个字节(byte)=8 bit，我们管这叫Byte addressable memory.

在32 bit的系统上，内存地址的长度就是32 bit。那么一个32 bit长度的二进制数最大可以表示的数是多少呢？很简单，2^32 = 4294967296。也就是说，32 bit的内存地址最大可以对应4294967296字节的内存！

这个数字换算一下就可以得出它相当于4GB。现在你知道为什么32位系统不支持4GB以上的内存了吗？

------------------------------------------------------------------------------------------------------

3. 指令编码(Instruction Encoding)

终于要说点正经的了。。前面说过CPU会执行内存/缓存中的程序指令，可是这些指令是以什么样的形式储存在内存里的呢？要知道所谓的指令其实就是一长串的0和1而已。那CPU如何从这些0和1里知道指令是什么呢？这就是指令编码的内容了。

先说说CPU。您说，CPU能干啥？其实很简单，无非就是加减乘除，读写内存，逻辑运算什么的。若是复杂些的CPU可能指令集要大些，不过基本的指令大概就这些。CPU内部也有自己的储存单元，叫做寄存器(Register)，也是暂时用来放数据的地方，速度特别快，容量特别小。
就拿我经常用的NIOS II来说，它内部有32个寄存器，它可以执行的指令包括(不好意思我要用汇编语言了=_=):

add rA,rB,rC #把寄存器rB,rC里的数加起来，结果放入寄存器rC
addi rB, rA, IMM16 #把rA里的数跟一个16位的数相加，结果放入rB
beq rB,rA,LABEL #若rA=rB，则跳到LABEL指定的内存地址开始执行指令，否则继续按照内存地址顺序执行指令
stwio rB, b_o(rA) #从内存地址rA+b_o处读取一个字节，数据放入rB
ldwio rB, b_o(rA) #从内存地址rA+b_o处开始写入一个字节，写入的数据在rB里
。
。
等等

总结起来，CPU可以有以下几个功能:
1.进行寄存器之间的运算和比较
2.由寄存器内指定的地址读写内存
3.分支指令，类似于C语言里的if语句。比如跳到某个寄存器里指定的内存地址开始读取并执行指令

当然，更复杂的指令集是有可能的，不过这里就不说了

---------------------------------------------------------------------------------------------

我知道读者可能好几楼没见着个图有点烦躁了，不过请有些耐心，等开始拼装CPU的时候图片绝对多。。。

Anyway，继续说指令编码
大致来说，上面的指令可以分为三大类：I-type,R-type,J-type
P.S.这种分类适用于MIPS架构的处理器，其他我就不知道了

1. I-type
以32 bit为例。一条I-type指令包括四个元素：
两个寄存器编号，一个16位数字和一个操作码

31-27位代表指令里寄存器rA的编号
26-22位代表寄存器rB的编号
21-6位是一个16位的二进制数
5-0位是操作码

例子：
NIOS II汇编指令 addi r6,r7,310表示把寄存器r7里的数加上310，结果放入寄存器r6。如果我们规定addi运算对应的六位操作码是000011，那么请问整条指令的编码是？
解答：
寄存器r6的编号是6，即00110
寄存器r7的编号是7，即00111
数字310对应的二进制数是0000000100110110
addi的操作码是000011
所以整条指令的编码就是00110 00111 0000000100110110 000011
-----------------------r6-----r7--------310---------addi------
共32位！
这就是I-type指令在内存里存在的形式！！~

----------------------------------------------------------------------------

2. R-type

还是以32 bit为例。一条R-type指令通常包括四个元素：
三个寄存器编号，一个操作码

31-27位是寄存器rA的编号
26-22位是寄存器rB的编号
21-17位是寄存器rC(一般来说这个是目标寄存器)的编号
16-6位是OPX，是操作码
5-0位。。你当它没用吧，写上000000就好 = =

例子：
汇编指令 add r10,r9,r8是典型的R-type指令。它表示把寄存器r9,r8里的数加起来，然后把结果写入寄存器r10(目标寄存器)。若规定add运算的操作码为00000011111，请问整条指令的编码是？
解答：
寄存器r10的编号是10，即01010
寄存器r9的编号是9，即01001
寄存器r8的编号是8，即01000
add运算操作码是00000011111
OP = 000000
所以整条指令的二进制编码是01001 01000 01010 00000011111 000000
---------------------------r9-----r8---r10------add-------OP
共32位！

-----------------------------------------------------------------------------------------

3. J-Type

一条32bit的J-Type指令包含两个元素：
一个26位的数字(通常是内存地址)和一个6位的操作码

31-6位是数字
5-0位是操作码

例子：
汇编指令 call ROUTINE_3是典型的J-Type指令，它表示该指令执行完毕后CPU将从ROUTINE_3开始的内存地址读取并执行其他指令。若ROUTINE_3开头指令的内存地址是0x00002b3c，call的操作码是000000，请问整条指令的二进制编码是？
解答：
16进制数0x00002b3c = 0000 0000 0000 0000 0010 1011 0011 1101
call操作码是000000
所以整个指令的编码是00000000000000000010101100111101 000000
------------------------------ROUTINE_3--------------call--
还是32位！

4.再说些CPU的事情

让我试着用图片总结一下前面的基础知识。。

上图概括了CPU和计算机其他部分的互动方式。该图与实际的计算机有很大差距，but you get the idea...现在让我们把注意力集中在CPU身上！

CPU只知道执行指令，而指令是在内存里的(实际上不一定，但是为了让事情简单些，我们假设指令都是在内存里的)。所以CPU需要从内存里取出指令，这一步叫做提取(Fetch)。

CPU还需要知道这条指令是干什么的，所以被编码过的指令会被传到CPU的控制电路那边解码以正确设置控制信号，这样CPU才能正确执行指令，这一步叫解码(Decode)。

上面两步完成后CPU就可以执行该条指令了，也就是执行(Execute)
运算后的结果经常需要保存，用来进行下一个指令的运算。那保存在哪里呢？无非就是寄存器组和内存。这一步叫做写回(Writeback)

CPU的结构简图(省略了到输入/输出设备的连接)：

时钟信号(Clock Signal)说白了其实就是一个频率很高的方波，就像这样：

它控制着CPU内核的工作节奏，每当时钟信号由0变1(rising edge)的时候，CPU里面的元件就会做点什么。

数据通路(Datapath)是一个能够执行任何指令集内的指令的电路，但是它需要控制电路告诉它应该在什么时候执行什么指令。数据通路包括了寄存器组,算术逻辑单元(Arithmetic logic unit, ALU)以及很多其他的元件。

控制电路负责解码指令并且正确设置控制信号，于是数据通路就能根据这些控制信号知道应当执行哪一条指令。

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

5. 好了，开始搭CPU吧 = =

如果读者到目前为止都还能懂的话，那么恭喜！你终于有了足够的基础知识来搭建一个简单的CPU了。
当然了，CPU这玩意不是说搭就搭的。我们的CPU能干些什么？能执行些什么指令？指令是怎么编码的？它由哪些小模块组成？都有哪些控制信号？这些问题都必须有明确的回答。

从现在开始，我强烈建议读者拿几张空白的纸出来记下这些问题的回答，因为我们即将面对的是众多的指令，模块以及控制信号。这可比拼装家具复杂多了，如果不记下来的话到时大概会头晕目眩。

当初LZ对这个CPU做一丁点儿小改动的时候，可得对着一张电路图，大大的控制信号表格以及超长的Verilog HDL代码，花了不少时间和草稿纸呢

I will be back tomorrow or after 3 hours...~

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

我们的CPU能做什么？

从现在开始将进入本文最复杂，最能绕晕人的部分，请做好准备。。
下面要开始说明这个CPU的规格，信息量略大，推荐写在纸上记着。

现在我们对下面的行**几个简化约定(要是不简化的话，读者就会看到一大堆密密麻麻的描述文字)，请务必记好。

TMP = MEM[R2]
这个语句表示从寄存器R2指定的内存地址读取数据，然后把读到的数据赋值给TMP。
举个例子：如果寄存器R2里的数字是0001 0011
而内存地址0001 0011处所存的数据是1111 1111
那么这个语句就表示TMP被赋值1111 1111，TMP = 1111 1111

MEM[R2] = TMP
这个语句表示TMP的值被写入内存，写入的位置是内存地址R2。
举个例子：如果TMP = 1111 1110，R2 = 0000 0001
那么这个语句就表示内存地址0000 0001处的数据变成了1111 1110

R1 = TMP
这个语句表示寄存器R1写入TMP的值
举个例子：如果TMP = 0000 1111
那么这个语句表示寄存器R1里的数字变成了0000 1111

PC = PC + 1
几乎每个指令都会带有这个语句，意思是PC寄存器里的数字加1
PC寄存器中有指令所在的内存地址。每执行完一条指令后，这个内存地址一般都会加1，好让CPU调出下一条指令

-------------------------------------------------------------------------------------------------

前面说过，我们的CPU是8-bit的，也就是说它最多只能支持2^8=256个内存地址。我们的CPU内部将会有四个通用寄存器(General Purpose Register)R0~R3，一个PC寄存器(Program Counter Register)，每个寄存器容量为8 bit。这个CPU不支持中断，意味着它不接受键盘和鼠标的输入，只会从内存里读取并执行指令。另外，CPU内部还有两个特殊的比特位，N和Z。如果某个运算的结果是负数，那么N就会被设定为1；如果某个运算结果为零，那么Z就被设定为1。我们将会在跳转指令里用到这两个比特位。

该CPU可以执行10种指令：

1. LOAD R1 (R2)
实现方法：
TMP = MEM[R2]
R1 = TMP
PC = PC + 1
这条指令是把内存地址R2处的数据读出来,然后放进寄存器R1里。接着PC寄存器加一为下一条指令做准备。看出来了吗？下面将不再有这种文字描述，全部使用简写。

2. STORE R1 (R2)
实现方法：
MEM[R2] = R1
PC = PC + 1

3. ADD R1 R2 [加法运算]
实现方法： 
TMP = R1 + R2
R1 = TMP
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;
PC = PC + 1

4. SUB R1 R2 [减法运算]
实现方法：
TMP = R1 - R2
R1 = TMP
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;
PC = PC + 1

5. NAND R1 R2 [NAND逻辑运算]
实现方法：
TMP = R1 NAND R2
R1 = TMP
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;
PC = PC + 1

6. ORI IMM5 [OR逻辑运算]
实现方法：
TMP = R1 OR IMM5, IMM5是一个5-bit的二进制数
R1 = TMP
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;
PC = PC + 1

7. SHIFT L/R R1 IMM2 [移位运算]
实现方法：
IF (L) THEN TMP = R1 << IMM2
ELSE TMP = R1 >> IMM2
R1 = TMP
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;
PC = PC + 1

8. BZ IMM4 [如果Z=1，就跳过IMM4个指令]
实现方法：
IF (Z == 1) PC = PC + 1 + (SIGN-EXTEND8(IMM4))
ELSE PC = PC + 1

9. BNZ IMM4 [跟上一条指令相反]
实现方法：
IF (Z == 0) PC = PC + 1 + (SIGN-EXTEND8(IMM4))
ELSE PC = PC + 1

10. BPZ IMM4 [若N = 0，就跳过IMM4个指令]
实现方法：
IF (N == 0) PC = PC + 1 + (SIGN-EXTEND8(IMM4))
ELSE PC = PC + 1

这些描述都比较抽象，做拼装的时候这些东西应该会表现得更具体些。

---------------------------------------------------------------------------------------------------

CPU的指令编码

前5个指令的编码方式都是：
7-6位是寄存器R1的编号
5-4位是寄存器R2的编号
3-0位是操作码

ORI指令的编码

SHIFT指令的编码

三个跳转指令的编码

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

数据通路的设计

这个CPU的数据通路将由以下部件组成：
寄存器

data in ---------- 写入寄存器数据，8条线，因为是8-bit的
data out ---------- 输出寄存器的数据，8条线，因为是8-bit的
控制信号write ---------- 是否允许写入数据。是的话write = 1, 否则 write = 0
clock ---------- 时钟信号
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

数据选择器

相信诸位都应该知道这玩意怎么工作的吧？当然输入输出都是8条线
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

通用寄存器组

通用寄存器R0-R3都在这里面。
reg1,reg2 ----------说明指令里涉及哪两个寄存器
regw ---------- 指明要往哪个寄存器里写数据(应该是2条线，没画出来)
data0 ---------- 从reg1指定的寄存器中输出数据
data1 ---------- 从reg2指定的寄存器中输出数据
dataw ---------- 实际写入寄存器的数据从这里进去(应该是8条线，没画出来)
控制信号write ---------- 是否允许写入数据？是的话write = 1，否则write = 0
clock ---------- 时钟信号
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

算术逻辑单元(ALU)

这个模块就是CPU做运算的地方了。它能实现加减法，NAND和OR运算，以及移位运算。
In0,In1 ---------- 输入
控制信号ALUop ---------- 告诉ALU应该做哪个运算
Z,N ---------- 前面提过的特殊比特位，ALU要负责根据运算结果设置Z和N
OUT ---------- 运算结果输出

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

继续说CPU组件。。。

指令内存

addr ---------- 指定从哪个内存地址读取指令
Out ---------- 从内存里输出的指令在这里去往CPU
控制信号Read ---------- 是否允许读取指令？是的话Read = 1, 否则 Read = 0
我们假设指令内存是只读(Read Only)的
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

数据内存

addr ---------- 指定从哪个内存地址读取数据
Din ---------- 往内存里写的数据从这里进去
Dout ---------- 从内存里读取的数据从这里出去
Clock ---------- 时钟信号
控制信号MemWrite ---------- 是否允许数据写入内存？是的话MemWrite = 1, 否则为0
控制信号MemRead ---------- 是否允许读取？是的话MemRead = 1，否则为0
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

现在我们要用上面的模块去组装CPU的数据通路。

首先，无论执行的是哪一条指令，CPU都必须先从内存里把指令调出来，前面说过这一步叫做提取。此步骤由下图的电路执行。

这个电路由一个PC寄存器(Program Counter Register)和指令内存组成。PC寄存器里储存的是该条指令所在的内存地址，然后指令内存会根据PC寄存器指定的地址向CPU输出相应的指令。控制信号PCWrite决定是否允许更改PC寄存器里的数字，如果允许那么PCWrite = 1, 否则为0

-------------------------------------------------------------------------------------------------

能执行加法指令的电路

前面说过加法指令ADD R1 R2的编码形式如下

该指令会把寄存器R1和R2里的数字加起来，然后把结果写回R1。
INST线的3-0位是操作码，会被送到控制电路那边解码。解码后控制电路会设置好各个控制信号使得CPU的数据通路执行加法运算。我们以后再详细说说控制电路的事情，现在让我们来看看在数据通路里，INST线7-4位是如何使用的。

上图是一个可以执行加法指令的电路(图里的数字有点小错误，不要在意)
INST 7-6位代表R1的编号，作为通用寄存器组的reg1和regw输入
INST 5-4位代表R2的编号，作为reg2的输入
然后R1和R2里的数据从data0,data1输出，送到ALU做加法运算(ALUop会告诉ALU做加法运算)
TMP = R1 + R2完成
然后加法运算的结果被送到寄存器组的dataw输入。这时RFWrite = 1。由于此时regw指定的寄存器编号是R1，所以加法运算的结果就被写回了寄存器R1
R1 = TMP完成
此外，ALU还会把N和Z这两个特殊的比特位根据运算结果设置好
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;完成

这条指令还没完，我们需要把PC寄存器里的数字加一，这样CPU才能取得下一条指令。因此还得加点东西。

有了上面那个电路之后
PC = PC + 1就可以完成了

同样的电路也可以用作执行SUB和NAND指令。唯一不同的是控制信号ALUop会让ALU做减法或者NAND运算。

-----------------------------------------------------------------------------------------

执行ORI指令的电路

ORI IMM5的编码

这个指令会把寄存器R1里的数字与一个5-bit的二进制数做OR运算，然后把结果写回R1
要实现这个指令只需把上面的电路稍作更改即可

可以看到这个电路增加了两个数据选择器(图中的reg0,reg1应分别为reg1,reg2)
首先，因为ORI指令总是在寄存器R1上进行操作，不像ADD,SUB,NAND等其他指令需要指定在哪些寄存器上进行操作，所以我们加入一个控制信号为R1Sel的选择器。
当执行ORI指令时，R1Sel = 1，这样reg1的输入在执行ORI指令时总会是01
所以data0输出也总是会输出R1的数据到ALU
这时，ALU的另外一个输入应当是指令里的IMM5，而不是从寄存器组那边过来的输入
于是我们加入另一个控制信号为ALU2的选择器，这样我们就可以选择是从寄存器组还是从INST线那边输入ALU数据。
当执行ORI指令时，ALU2 = 1，这样ALU就会把INST 7-3位的5-bit二进制数作为输入
然后控制信号ALUop告诉ALU进行OR运算
TMP = R1 OR IMM5完成
结果写回R1
R1 = TMP完成
ALU根据运算结果设置N和Z
IF (TMP == 0) Z = 1; ELSE Z = 0;
IF (TMP < 0) N = 1; ELSE N = 0;完成
PC寄存器加一，CPU为下一条指令做好准备
PC = PC + 1完成

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

能执行内存读取以及SHIFT指令的电路

LOAD R1 (R2)
STORE R1 (R2)
由于这两条指令里的R2部分总是作为地址使用，所以寄存器R2的输出要连到数据内存的addr输入；而R1在STORE指令中是作为数据源的寄存器使用的，所以连接到Datain输入。R1在LOAD指令中是作为放内存读出数据的寄存器使用的，所以连回到寄存器组的dataw输入。中间加了一个RFin选择器，这样寄存器组就可以选择是从ALU还是从数据内存那边写入数据。

现在我们要把数据内存加入我们的电路里，如下图：

最后我们还把ALU2选择器扩展了一下，使得执行SHIFT指令时ALU能够选择从INST线读到运算需要的数据(图中的INST 5-2应当为INST 4-3，因为SHIFT指令的IMM2在指令编码的4-3位)。

然后这个CPU的数据通路就基本完成了！！