深入设计电子计算器(一)——CPU指令集设计

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　　作者：窗户

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　　前几天写了一篇《如何设计一个电子计算器》，一个朋友看了之后说实在太low，好吧，依照他的意思，那我就采用文中FPGA设计的方式，然后自己从指令集设计、cpu设计、汇编器设计、汇编程序设计一路设计过去，再多写个几篇水文，组一个系列，取名就叫《深入设计电子计算器》。基本的计算器原理方面，还是先看一下《如何设计一个电子计算器》。

　   设计的第一步，是设计CPU的指令集，我这里一切从零开始设计。以前想在chinaunix召集人设计一个32位处理器来学习学习，并移植gcc或者llvm来编译C语言，当时考虑做一个RISC，采用三条流水线，最终移植编译器有人而一起设计CPU没人。当然，本系列只是一个抛砖引玉，我并不打算用很深的原理来设计这个CPU，那会花费很多的时间与精力，而只是让这个CPU可以运行起来而已。

　　此CPU为16位，CPU核中有8个通用寄存器，为r0~r7，都为16位寄存器。指令存储和数据存储分开，采用哈佛结构，两套总线。

　　有两个中断信号，对于我这个演示来说应该足够了。中断信号外面接一个中断控制器，接入两个中断源。这两个中断源一个接定时器，另外一个直接拖出去给外部用。而中断控制器和定时器都挂在数据总线上，以便CPU来设置。

　　整个模块架构如下：

　　设置以下指令：（rn、rm这里，n、m为寄存器数字编号,i为立即数，但不同指令范围有区别，=>是赋值,[r7]在这里代表r7地址的数据RAM）

　　赋值指令：

　　mov rn, rm　　rm=>rn

　　movi rn, i　　　i=>rn　　此处i为立即数，范围0~65535

　　movib rn,i　　  i=>rn　　此处i为立即数，范围0~255

　　movtr rn　　　rn=>[r7]

　　movfr rn　　　[r7]=>rn

　　算术指令：

　　add rn, rm　　rn+rm=>rn

　　sub rn,rm　　rn-rm=>rn

　　addi rn,i　　  rn+i=>rn

　　subi rn,i　　　rn-i=>rn

　　mul　　　　  r0Xr1=>r2:r3

　　umul　　　　r0Xr1=>r2:r3

　　div　　　　　r2:r3/r0=>r1,r4

　　udiv　　　　 r2:r3/r0=>r1,r4

　　逻辑指令：

　　and rn, rm　　rn&rm=>rn

　　or rn,rm　    　rn|rm=>rn

　　xor rn, rm　　  rn^rm=>rn

　　not rn　　　　 ~rn=>rn

　　sl rn,i　　　　 rn<<i=>rn

　　sr rn,i　　　　rn>>i=>rn

　　跳转指令：

　　bz i　　　　如果上一条指令出现了0就跳转到当前指令地址+i　　　　

　　bb rn,i,im 　如果寄存器rn的第i位为1就跳转到当前指令地址+i

　　b i　　　　无条件跳转到i地址　　　

　　call i　　　把下一条指令地址压栈，r0~r7压栈，并跳转到i地址　

　　ret　　　　把之前call压栈的r0~r7恢复，并回到call压栈的执行地址　　　　

　　reti　　　　当中断发生的时候，会把当前执行地址，r0~r7压栈，reti会把这些寄存器弹出，并回到之前执行地址，并通知中断控制器

　　

　　这些指令对于CPU基本是完备了。

　　以上指令集还有点问题，我也还没有设计准确的opcode，可能会被修改，但我尽我自己完成这一系列，本篇是这个系列的第一篇。尽管偷工减料版也可能会花去我相当的时间，但我想对于来看的网友多少有那么一点点帮助吧，那就可以了，希望支持。