CPU Designer

文章目录

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- - 先决知识
- 引言
- 基础知识
- - 数字信号与数字电路
  - 开关
  - 半导体与晶体管
  - 寄存器与时钟信号
  - 小结
- 构建数据通路（运算器）
- - R 型指令格式
  - - R型指令的指令编码
    - - 例：
    - R型指令包含哪些
  - R 型数据通路
  - - add
    - sub
    - 其他算术逻辑功能
  - I 型指令格式
  - - I型指令的指令编码
    - - 例:
    - I 型指令包含哪些
  - I 型数据通路
  - - 选择器
    - 数据通路
  - 实现load指令
  - - load指令格式
    - load 的数据通路
  - S 型指令格式
  - - S 型指令的指令编码
  - S型指令的数据通路
  - B型指令格式
  - B型指令的数据通路
  - 实现jalr 指令
  - - 数据通路
  - J 型指令格式
  - J型指令的数据通路
  - U型指令格式
  - U型指令的数据通路
- 构建控制器
- - 题目
- 总结

先决知识

数字电路与数字逻辑设计
risc-v汇编指令

引言

计算机的发明是信息时代最恢弘最根本的起点。操作系统与CPU是其中两个非常重要的部分，是计算机软件和硬件最核心也是最重要的模块。在这部分，我们将逐步动手实现一个CPU（center process unit 中央处理器)，并在设计过程中逐步领会到计算机的组成原理，认识到如何从晶体管蜕变处理器的过程。

（上图引用自UCB，后面我们引用的绝大部分图片是来源于UCB， UCB 是risc-v的发源地）中间的是Instruction Set Architecture , 指令集架构，我们正在学的risc-v正是指令集架构的一种,它们处于硬件与软件的接口、中间层。它们的上层是软件，核心就是OS (操作系统), 下层是硬件，我们将学习的CPU就是Datapath and Control (数据通路和控制器，也叫运算器和控制器)，用绿色线条圈出。

以前我喜欢运算器的名字，具体设计CPU时，数据通路这个名字其实更贴切

基础知识

这部分能解释CPU的前世今生，主要在告诉你为什么，可以把这部分内容当成素养阅读，只是简单的几分钟阅读，能改变你对计算机的很多看法。没时间可以跳过这部分。

数字信号与数字电路

计算机的语言：在计算机中，只需要0与1就能表示一切数字、字符、图片等等信号。
计算机的函数：组合逻辑和时序逻辑是计算机的函数，输入01序列通过函数便能返回需要的信号
计算机的心跳：时钟信号是计算机的心跳，寄存器等时序逻辑的值都会在时钟的有效跳沿处更新

risc-v 是同步的架构，采用同一个时钟信号，而非异步（多个时钟信号）

开关

最早期的计算机是通过开关来得到0与1的值，得到计算机的语言。

在有电的情况下，开关打开，灯泡变暗，表示0，开关关闭，灯泡变亮，表示1.这里的灯泡并不是真的指计算机中用灯泡的亮与暗，这只是一种比喻，灯泡的亮表明的是计算机获取到了一个1信号，反之则获取到0信号。

通过开关的串并联，能实现简单的逻辑门电路，通过简单的逻辑门电路能构成复杂的逻辑门电路，再通过复杂逻辑门电路就能实现组合逻辑和时序逻辑，得到计算机的函数。

在上面的图中，当A的值为1表示开关闭合。相应的非门、异或门等等都可以这样构建。

通过门电路能构建出相应的电路产生时钟信号，从而得到计算机的心跳，具体是通过那些门电路实现的与我们相关性不高，学习的意义也不大，我们只需要知道能实现即可，具体找电信、微电子的人

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