CPU - Návrh

Průvodce návrhem CPU.

Architektura

  • Harvardská - oddělená paměť programu (ROM) a paměť dat (RAM)

  • Von Neumannova - sjednocená paměť (RAM)

Náčrt

Doporučuji si načrtnout návrh vašeho CPU a podle toho se rozhodovat. Důležitý bod u vašeho návrhu CPU je kolika bitové jste dělali ALU. Pokud máte 8 bitové ALU, tak nemůžete mít 16 bitovou sběrnici (pokud něco nevyčarujete, možné je všechno...).

  • Šířka adress v ROM
  • Šířka hodnot v ROM
  • Šířka adress v RAM
  • Šířka hodnot v RAM
  • Šířka instrukcí
  • Počet registrů
  • Šířka sběrnice

I/O (Vstup/Výstup)

Alespoň jeden vstup a výstup

Příkladné vstupy

  • klávesnice (Input/Output/Keyboard)
  • registr (Memory/Register)

Příkladné výstupy

  • Řada ledek (Input/Output/LED)
  • HEX displej (Input/Output/Hex Digit Display)
  • TTY (Input/Output/TTY)
  • LED Matrix (Input/Output/LED Matrix)

Instrukce

Vaše CPU by mělo mít několik vlastností:

  • možnost spočítat libovolný početní problém
  • libovolně pracovat s registry a pamětí

Zkráceně by mělo být, co nejvíce univerzální... Tohle je dobré mít v hlavě při návrhu instrukcí.

Instrukci si můžete rozčlenit jakkoliv chcete. U mého CPU jsem měl pouze OP code a ARGy, ale můžete do instrukce schovat různé flagy apod... (technicky vzato jsou to taky argumenty, ale pouze jednobitové :D)

V excelu pak vypadají instrukce nějak takhle

Doporučené konvence

  • {X} - libovolný registr X
  • [X] - hodnota na adrese X

Doporučuji navrhnout v excelu nebo google sheets. Tabulka s jménem instrukce, krátky popis a její kód.

Typické instrukce jsou:

  • mov {R1} {R2} - přesune hodnotu registru z R1 do R2
  • movi {R1} 8b - přesune hodnotu v instrukci do R1
  • add {R1} {R2} - sečte R1 R2
  • jmp {X} - skočí na instrukci {X} v programu
  • ...

Průběh exekuce instrukce

  • Fetch

    • Načti hodnotu z instrukční paměti na adrese PC (Program Counter) do IR (Instruction Register)
    • Přičti k PC jedna

  • Decode instruction

    • Přečti IR, rozhodni se, zda potřebuješ další bity k instrukci
    • Pokud ano, opakuj fetch, ale výsledek ulož do argument registrů,...

  • Execute instruction

    • Podle toho, co je v IR, tak se zachovej

Vyžadované instrukce

Aritmetické

Instrukce, které se zabývají počty. Typicky vše co umí vaše ALU.

Příklady:

  • add A,B - přičti fixní registry A a B a výsledek ulož do A
  • sub {R1},{R2} - odečti libovolné dva registry a výsledek ulož do R1
  • shr {R1} - Proveď SHR operaci na libovolný registr R1 a výsledek ulož do R1

Paměťové

  • Přesuny mezi registry (kromě interních jako např. program counter)
  • Immediate data instrukce - instrukce, která vám dovolí nahrát libovolné číslo do registru
    • movi {R1} {8b number} - nahraje do libovolného registru R1 8 bitové číslo
  • Práce s RAM - primárně načítání a ukládání z RAM
    • load {R1} - načtení hodnoty z adresy HL (dva fixní registry pro adresu RAMky) do libovolného registru R1
    • store {R1} - uložení hodnoty z libovolného registru R1 do adresy HL

Control Flow

Jumpy v programu - rozdělují se na podmíněné a nepodmíněné

Nepodmíněné:

  • jmp {X} - jump na určitou instrukci
  • jmpr {X} - jump na instrukci o X instrukcí dopředu či dozadu

Podmíněné:

  • jmpz {X} - skoč na X instrukci pokud je flaga ZERO rovná jedné
  • jumpr {X} - to stejné ale relativní jump
  • jmpc {X} - skoč na X instrukci pokud je flaga CARRY rovná jedné

Ostatní

  • Typicky I/O
  • led - toggle na LEDku