一个非常简单的CPU的设计 1、组合逻辑控制器 2、微程序控制器

1. cpu定义 我们按照应用的需求来定义计算机，本文介绍一个非常简单的CPU的设计，它仅仅用来教学使用的。我们规定它可以存取的存储器为64byte，其中1byte=8bits。所以这个CPU就有6位的地址线A[5：0]，和8位的数据线D[7：0]。

我们仅定义一个通用寄存器AC（8bits寄存器）， 它仅仅执行4条指令如下： Instruction Instruction Code Operation ADD 00AAAAAA AC<—AC+M[AAAAAA] AND 01AAAAAA AC<—AC^M[AAAAAA] JMP 10AAAAAA GOTO AAAAAA INC 11XXXXXX AC<—AC+1

除了寄存器AC外，我们还需要以下几个寄存器： 程序计数器 PC[5：0]，保存下一条指令的地址。 数据寄存器 D[7：0]，接受指令和存储器来的数据。 指令寄存器 IR[1：0]，存储指令操作码。

2 .取指设计 在处理器执行指令之前，必须从存储器取出指令。其中取指执行以下操作： 通过地址端口A[5：0]从地址到存储器 等待存储器准备好数据后，读入数据。 由于地址端口数据A[5：0]是从地址寄存器中读出的，所以取指第一个执行的状态是 Fetch1： AR<—PC 接下来cpu发出read信号，并把数据从存储器M中读入数据寄存器DR中。同时pc加一。 Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1 接下来把DR[7：6]送IR，把DR[5：0]送AR Fetch3: IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0]

3.指令译码 Cpu在取指后进行译码后才知道执行什么指令，对于本文中的CPU来说只有4条指令也就是只有4个执行例程，状态图如下：

4. 指令执行 对译码中调用的4个例程我们分别讨论： 4.1 ADD指令 ADD指令需要CPU做以下两件事情： 从存储器取一个操作数 把这个操作数加到AC上，并把结果存到AC,所以需要以下操作： ADD1： DR<—M ADD2： AC<—AC+DR

4.2 AND指令 AND指令执行过程和ADD相似，需要以下操作： AND1： DR<—M AND2： AC<—AC^DR 4.3 JMP指令 JMP指令把CPU要跳转的指令地址送PC，执行以下操作: JMP1： PC<—DR[5：0] 4.4INC指令 INC指令执行AC+1操作: INC1： AC<—AC+1

总的状态图如下：

5. 建立数据路径 这一步我们来实现状态图和相应的寄存器传输。首先看下面的状态及对应的寄存器传输： Fetch1： AR<—PC Fetch2： DR<—M，PC<—PC+1 Fetch3： IR<—DR[7：6]，AR<—DR[5：0] ADD1： DR<—M ADD2： AC<—AC+DR AND1： DR<—M AND2： AC<—AC^DR JMP1： PC<—DR[5：0] INC1： AC<—AC+1

为了设计数据路径，我们可以采用两种办法： 创造直接的两个要传输组件之间的直接路径 在CPU内部创造总线来传输不同组件之间的数据 首先我们回顾一下可能发生的数据传输，以便确定各个组件的功能。特别的我们要注意把数据载入组件的各个操作。首先我们按照他们改变了那个寄存器的数据来重组这些操作。得到如下的结果：

AR： AR<—PC；AR<—DR[5：0] PC： PC<—PC+1；PC<—DR[5：0] DR： DR<—M IR： IR<—DR[7：6] AC： AC<—AC+DR；AC<—AC^DR； AC<—AC+1 现在我们来看每个操作来决定每个组件执行什么样的功能，AR，DR，IR三个组件经常从其他的组件载入数据（从总线），所以只需要执行一个并行输入的操作。PC和AC能够载入数据同时也能够自动加一操作。下一步我们把这些组件连接到总线上来，如图所示：

如上图所示，各个组件与总线之间通过三态连接，防止出现总线竞争。AR寄存器送出存储器的地址，DR寄存器用于暂存存数起来的数据。到现在为止我们还没有讨论有关的控制信号，我们现在只是保证了所有的数据传输能够产生，我们将在后面章节来使这些数据传输正确的产生---控制逻辑。

现在我们来看以下者写数据传输中有没有不必要的传输： AR仅仅提供数据给存储器，所以他不需要连接到总线上。 IR不通过总线提供数据给任何组件，所以他可以直接输出到控制单元。 AC不提供数据到任何的组件，可以不连接到总线上。 总线是8bit宽度的，但是有些传输是6bit或者2bit的，我们必须制定寄存器的那几位送到总线的那几位。 AC要可以载入AC和DR的和或者逻辑与的值，数据路径中还需要进行运算的ALU。

由此我们做以下工作： 去掉AR，IR， AC与总线的连接。 我们约定寄存器连接是从总线的低位开始的。AR，PC连接到Bus[5：0]，由于IR是接受DR[7：6]的，所以可以连接到总线的Bus[7：6]。 我们设定，AC作为ALU的一个输入，另一个输入来自总线Bus。 下面我们检查是否有争用总线的情况，幸运的是这里没有。修改后的CPU内部组织图如下：

6. ALU设计 这个CPU的ALU执行的功能就是两个操作数相加、逻辑与。这里不作详细介绍。电路如如下：

7. 控制单元 现在我们来考虑如何产生数据路径所需的控制信号，有两种方法：硬布线逻辑和微程序控制。这里我们用硬布线逻辑来实现。 这个简单的CPU需要的控制逻辑由三个部件组成： 计数器： 用于保存现在的状态 译码器： 生成各个状态的控制信号 其他的组合逻辑来产生控制信号 一个通用的控制单元原理图如下：

对于这个CPU来说，一共有9个状态。所以需要一个4bit的计数器和一个4-16的译码器。接下来的工作就是按照前面的状态转换图来对状态进行赋值。 首先考虑如何的对译码输出状态进行赋值才能达到最佳状态。我们按照以下规则： 1〉给Fetch1赋计数器的0值，并用计数器的清零端来达到这个状态。由这个CPU的状态图可以看出，除了Fetch1状态外的其他状态都只能由一个状态转化而来，Fetch1需要从4个分支而来，这4个分支就可以发出清零信号（CLR）来转移到Fetch1。如图

2〉把连续的状态赋连续的计数器值，这样就可以用计数器的INC输入来达到状态的转移。 3〉给每个例程的开始状态赋值时，要基于指令的操作码和这个例程的最大状态数。这样就可以用操作码来生成计数器的LD信号达到正确的状态转移。首先，在Fetch3状态发出LD信号，然后要把正确的例程地址放到计数器的输入端。对这个CPU来说，我们考虑以地址1 [IR] 0作为计数器的预置输入。则得到状态编码如下：

这样就可以用操作码来生成计数器的LD信号达到正确的状态转移。首先，在Fetch3状态发出LD信号，然后要把正确的例程地址放到计数器的输入端。对这个CPU来说，我们考虑以地址1 [IR] 0作为计数器的预置输入。则得到状态编码如下：

Instruction State IR counter Fetch Fetch1 0000 Fetch2 0001 Fetch3 0010 ADD ADD1 00 1000 ADD2 1001 AND AND1 01 1010 AND2 1011 INC INC1 10 1100 JMP JMP1 11 1110

如上表所示，下面我们需要设计产生计数器的LD、INC、CLR等信号，总的控制单元的逻辑如下图：

下面我们用这些译码信号来产生数据路径控制所必需的AR、PC、DR、IR、M和ALU的控制信号。首先考虑寄存器AR，他在Fetch1状态取PC的值，并在Fetch3状态取DR[5：0]的值，所以我们得到 ARLOAD=Fetch1 or Fetch3。 以此类推我们可以得到如下结果： PCLOAD=JMP1 PCINC=Fetch2 DRLOAD=Fetch1 or ADD1 or AND1 ACLOAD=ADD2 or AND2 IRLOAD=Fetch3

对于ALU的控制信号ALUSEL是用来控制ALU做逻辑或者算数运算的，所以有： ALUSEL=AND2 对于片内总线的控制较为复杂，我们先来看DR，对于DR他只在Fetch3、AND2 、ADD2和JMP1状态占用总线进行相信的数据传输，所以有： DRBUS=Fetch3 or AND2 or ADD2 or JMP1

其他类似有： MEMBUS=Fetch2 or ADD1 or AND1 PCBUS=Fetch1 最后，控制单元需要产生存储器的读信号（READ），它发生在Fetch2、ADD1、AND1三个状态： READ=Fetch2 or ADD1 or AND1 这样我们得到了总的控制逻辑，完成了整个CPU的设计。

8设计验证 我们执行如下指令进行设计验证， 0： ADD 4 1： AND 5 2： INC 3： JMP 0 4： 27H 5： 39H 指令执行过程如下（初始化所有寄存器为全零态）：

Instruction State Active Signals Operations Next State ADD 4 Fetch1 PCBUS、ARLOAD AR<—0 Fetch2 READ、MEMBUS DRLOAD、PCINC DR<—04H PC<—PC+1 Fetch3 DRBUS、ARLOAD IRLOAD IR<—00 AR<—04H ADD1 DRLOAD DR<—27H ADD2 DRBUS、ACLOAD AC<—0+27H

AND 5 Fetch1 Fetch2 Fetch3 ADD1 ADD2 INC INC1 JMP 0 JMP1

1基本的微程序设计 当我们设计一个CPU的控制单元的时候我们往往是先给出一个CPU的状态图，然后设计一个有限状态机。硬布线逻辑是根据CPU的现态和输入（包括操作码和标志寄存器的内容）来进行状态转移，同时输出数据路径个组件的控制信号。 1.1微序列操作 一个微程序控制器也是一个有限状态机，一个通用的微程序控制器如下图：

说明： 图中寄存器用来存储CPU状态图中的一个状态，把它作为微代码存储器的地址访问微代码存储器。 微代码存储器输出微指令，可以分成两个部分：一个部分是微操作，这些信号被输出到CPU的其他部分用以产生CPU数据路径中的控制信号。另一部分被用来产生下一个访问微代码存储器的地址。这一部分加上操作码、标志寄存器以及CPU现在的状态（也就是Register中的内容）一起产生下一次访问微代码存储器的地址。

3. 下一个地址产生单元接受操作码、标志寄存器内容和微代码存储器的输出，然后根据现在CPU所处的状态决定产生下一次访问微代码存储器的地址。它生成所有可能的转移地址，然后选择正确的输出到寄存器中。 一个可能的地址就是微代码存储器现在地址加一。 另一个可能的地址是要跳转的绝对地址。

每个微程序控制其还需要能够正确地访问执行例程，这就需要用到影射逻辑。把取指得到的操作码影射到执行子例程的第一条微指令的地址上。这个影射操作时在每个取指周期结束时进行的。

像所有高级语言编程一样，微代码也可以有子程序。当几条指令执行同一段微代码时，这段微代码就可以用一个子程序来实现。当调用此子程序时，这个子程序的微代码地址就被作为一个跳转的绝对地址赋给寄存器，而当前地址加一的地址则被保存为返回地址。（需要硬件的寄存器或者堆栈来实现）

4.一个微程序控制器最基本的四个部分就是： 现在地址加一 绝对地址 影射逻辑地址 子例程返回地址 1.2微指令格式 每个微程序控制器可以有它自己的微指令格式。但是每条微指令必须包含以下几个部分的内容：

下面我们分别介绍这几个部分的内容： SELECT域 SELECT域用于指名下条指令地址的来源。它仅仅是指名下条指令地址的来源，而不直接给出下条指令的地址。例如：取指例程最后一条指令时，它的SELECT域会指名下一条地址将来自影射逻辑。 对于条件转移指令，执行子例程的执行需要根据标志为的判断来进行。对于这样的指令SELECT域要有相应的标志寄存器的选择。然后根据所选择的标志寄存器以及SELECT域的内容来决定下一地址的来源。 ADDR域 ADDR域就是来指名下一条指令执行的绝对地址的。例如当执行完一个例程需要进入取指例程时，对指明了下一个地址来源的微指令来说，ADDR域是无用的。例如：影射逻辑地址。

3.MICOR-OPERATION域 MICRO-OPERATION域用来描述要执行的微操作，有三种描述方法： 3.1水平微代码 为了实现水平微代码，我们先列出CPU执行的所有微操作。然后我们给每个微操作赋MICRO-OPERATION域中的1bit。这将导致MICRO-OPERATION域的位数很多。而且这种编码方法将使很多的MICRO-OPERATION域中的位在大多数时间无用。

3.2垂直微代码 为了实现垂直微代码，CPU可以执行的微操作被分组，然后每个微操作被赋予一个组合的二进制数，例如：16个微操作可以用4bit的MICRO-OPERATION域来描述（0000~1111）。事实上我们用4bit只能表示15个微操作，因为我们必须空出一个状态来描述空操作。垂直微代码的编码方式需要很少的MICRO-OPERATION域的位数，但是它需要一个译码器来产生真正的微操作信号。

3.3直接生成控制信号 在以上两种方法中，CPU都必须要把微操作信号转换成控制信号来进行数据路径的载入（LOAD）、清零（CLR）、加一（INC）、ALU控制以及总线上各个Buffers的开关等操作。第三种微代码的编码方法就是把控制信号直接存储到微指令中，这种方法不需要另外的组合逻辑，但是它可读性差，不宜于调试。

2、设计和实现A Very Simple CPU的微程序控制单元 为了验证一个微程序控制器的设计过程，我们首先来考虑前一章中的Very Simple CPU的控制单元的设计。本节将用微程序控制器重新设计其控制单元。我们将不在重新讲述指令集、有限状态机、数据路径以及ALU的设计。我们只讲述控制信号的产生过程。 2.1基本流程 这个Very Simple CPU的微程序控制器的基本框图如下：

在这个Very Simple CPU中只有两种可能的地址，一个是操作码影射地址另一个是绝对跳转地址。参看前面的Very Simple CPU的状态图，我们可以知道： 从Fetch3到执行子例程需要一个地址影射逻辑，影射到要执行指令的地址处。 地址加一可以用Microde memory 产生ADDR作为绝对地址跳转实现，每个执行子例程结束后还需要一个地址跳转回到取指Fetch1微操作。 因为有两种地址输入，所以可以用一个2选1逻辑 来实现下一地址生成模块。选择控制信号是由微代码存储器产生的。

接下来我们考虑用多少位来表示Microde memory(控制存储器)输出的绝对地址？ 这个CPU一共有9个状态，每个状态用一个微指令表示。需要的最少的数据位数是4位。而IR译码后的影射逻辑地址也是4bit，所以用4bit来表示地址。

2.2生成微程序并且设计影射逻辑 现在我们通过有限状态机的状态来设计微代码序列。首先我们给每个状态赋予一个微代码的地址。与硬布线逻辑不同的是，它不是必须直接的把连续的地址赋给取指或者执行的各个状态，然而那样赋值能够使微代码易于阅读调试。赋值中考虑的首要问题是：执行子例程的第一个状态的地址赋值，因为它决定了影射逻辑的实现。对这个CPU来说，我们用和硬布线逻辑实现时同样的影射逻辑，也就是IR译码的影射逻辑是{1，IR[1：0]，0}。这样产生了ADD1、AND1、JMP1、INC1的地址分别为1000、1010、1100、1110。相应的影射逻辑也就可以简单的如下表示：

其余状态的地址赋值如下表： State Address Fetch1 0000 Fetch2 0001 Fetch3 0010 ADD1 1000 ADD2 1001 AND1 1010 AND2 1011 JUMP1 1100 INC1 1110  

现在我们来通过这些状态来建立微代码序列。为了实现状态的转移，为序列控制器在ADDR域提供其要转移状态的地址，并且在SELECT域选择它。例如：为了从Fetch1转移到Fetch2状态，微程序控制器需要设定SEL=0（选择ADDR作为输入，而不是IR影射逻辑），ADDR=0001（Fetch2的地址）---也就是微代码存储器0000处ADDR域的内容存储的是0001这个地址。除了Fetch3状态外其他的状态都可以这样得到微代码存储器中SEL和ADDR的值（微操作uOP的值后面再讲）。Fetch3状态需要选择影射逻辑作为访问微代码存储器的地址。此时ADDR中的值将是无用的，所以可以不用考虑，而SEL=1。总的微代码存储器内容如下表（除去微操作uOP）

State Address SEL ADDR Fetch1 0000 0001 Fetch2 0010 Fetch3 1 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 AND1 1010 1011 AND2 JMP1 1100 INC1 1110

2.3用水平编码方式设计微操作 首先我们注意到一个微程序控制器有两个任务： 生成正确的微操作 正确的流动状态 上面我们已经考虑了怎么样正确的进行状态的流动，下面我们的任务就是生成正确的微操作和相关的控制信号。 在水平编码的微代码方式中，每一个微操作用1bit表示。首先我们列出CPU所有的微操作，然后用助记忆符来进行表示如下：

助记符 微操作 ARPC AR<—PC ARDR AR<—DR[5:0] PCIN PC<—PC+1 PCDR PC<—DR[5:0] DRM DR<—M IRDR IR<—DR[7:6] PLUS AC<—AC+DR AND AC<—AC^DR ACIN AC<—AC+1

这个CPU一共有9个微操作，每个微代码字需要9bit来表示它们。用1表示执行这个微操作，用0表示不执行这个微操作。我们把这些表示微操作的值填入到上面的微代码存储器的表格中就得到了最后的微代码存储器的内容，如下表：

State Address SEL AR PC DR IN M IR PL US AN D AC ADDR Fetch1 0000 1 0001 Fetch2 0010 Fetch3 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 AND1 1010 1011 AND2 JMP1 1100 INC1 1110

在生成控制信号之前，我们先来对微代码存储器中的微代码进行优化。注意到：对于所有的状态来说，ARDR和IRDR都与相同的值，所以我们可以用1bit（AIDR）来表示这两个微操作。得到最后的结果如下表

State Address SEL AR PC AI DR IN M PL US AN D AC ADDR Fetch1 0000 1 0001 Fetch2 0010 Fetch3 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 AND1 1010 1011 AND2 JMP1 1100 INC1 1110

最后，我们用这些微操作信号来生成数据路径中相应的控制信号。例如，对于寄存器AR来说，ARLOAD信号必须在ARPC和AIDR两个微操作有效时有效。于是就把这两个微操作进行OR操作产生ARLOAD信号。其他的控制信号同理可得，最后的控制信号如下表：

Signal Value ARLOAD ARPC or AIDR PCLOAD PCDR PCINC PCIN DRLOAD DRM ACLOAD PLUS or AND ACINC ACIN IRLOAD AIDR ALUSEL AND MEMBUS PCBUS ARPC DRBUS AIDR or PCDR or PLUS or AND READ

2.4用垂直编码方法产生微操作码 由于水平编码方式代码利用率太低，所以考虑用垂直编码方式。垂直编码方式的微代码存储器输出的并不是直接的微操作的控制信号需要进行译码，其原理如下图：

现在我们来用垂直编码的方法来设计这个Very Simple CPU的控制单元。我们还是从指令集、状态图、数据路径和ALU等开始分析。数据路径和硬布线逻辑相同，微程序代码控制器的影射逻辑、以及微代码存储器中的SEL和ADDR的内容与水平编码的设计也相同。我们现在的任务就是给微操作分配不同的微操作码。我们按照以下规则进行：

当两个微操作在同各状态发生时，把它们分在不同的域。也就是要求每个域在一个状态只能够输出一个值。 如果需要的话每个域中都可以包含NOP操作。当此域中没有操作要执行时输出空操作。 把其余的微操作分布到各个域中，尽可能的充分利用每个域能表示的状态。各个域的字长可以不同。 把在同一个域中修改同一个寄存器的微操作组成一组。因为两个微操作不能同时修改同一个寄存器。

首先我们检查同时进行的微操作有哪些，注意到DRM和PCIN都在Fetch2发生，所以必须被分到两个不同的域中。所以这个CPU至少需要两个域M1和M2。在每个域中加上NOP操作得到： NOP NOP DRM PCIN

由于PCIN和PCDR都修改PC，我们把PCDR加到M2中。接下来我们把修改同一个寄存器的操作放到同一个域中得到一个状态分配方案如下： M1 M2 NOP NOP DRM PCIN ACIN PCDR PLUS ARPC AND AIDR

每个域中有5个微操作，所以每个域都需要3bit来表示。总共需要6bit来表示。我们对之进行优化，可以把AIDR从M2移动到M1中，这样M1可以用3bit表示M2只需要2bit表示了。我们还可以进一步的优化把ARPC和PCDR也从M2移动到M1中，这样M1有8个状态，M2有2个状态。所以一共可以用4bit来表示。最后结果如下表：

M1 M2 Value Micro-operation 000 NOP 001 DRM 1 PCIN 010 ARPC   011 AIDR 100 PCDR 101 PLUS 110 AND 111 ACIN

接下来我们用这些数值来生成最终的微代码存储器的内容，结果如下表：

State Address SEL M1 M2 ADDR Fetch1 0000 010 0001 Fetch2 001 0010 Fetch3 1 011 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 101 AND1 1010 1011 AND2 110 JMP1 1100 100 INC1 1110 111

注意到M1中的NOP操作从来没有用到，我们可以把M1中的空操作去掉。 接下来我们要把M1和M2的输出进行译码得到相应的微操作信号，对M1用一个3-8译码器就可以，对M2来说直接接到PCIN上即可。 最后再经过和水平编码方式相同的控制信号产生逻辑就可以的到整个微程序控制器的设计。

2.5直接生成控制信号编码 这种方法微代码存储器不是生成微操作信号而是直接产生数据路径中的控制信号。设计中不同的部分就是微代码存储器中的微操作信号不同，而且省去了微代码存储器输出之后的译码逻辑而是直接输出数据路径所需要的控制信号。 例如看Fetch2中的控制信号，Fetch2执行的微操作是：DR<—M，PC<—PC+1我们需要的控制信号有：READ，MEMBUS，DRLOADPCINC同时所有其他的信号必须置0以保持没有总线争用。对每个微指令进行这样的分析最后得到下表：

State Address S E L A R O D P C I N U M B ADDR Fetch1 0000 1 0001 Fetch2 0010 Fetch3 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 AND1 1010 1011 AND2 JMP1 1100 INC1 1110

我们注意到DRLOAD、MEMBUS和READ总是有相同的值，所以可以用能够一个状态位来表示（DMR），最后的倒微代码存储器的内容如下：

State Address S E L A R O D P C I N M U B ADDR Fetch1 0000 1 0001 Fetch2 0010 Fetch3 Xxxx ADD1 1000 1001 ADD2 AND1 1010 1011 AND2 JMP1 1100 INC1 1110