从0到1设计一台8bit计算机

CSAPP学到第六章了，一脸懵比，有点不知所云了，所以索性从CSAPP中脱身去补点基础先，在B站看到Ele实验室的知识分享，感觉很有意思，因此记录一下过程。链接在这：从0到1设计一台计算机.

文章目录

• 第一话-人脑计算机
• 第二话-冯诺伊曼和哈佛
• 第三话-再谈RAM和ROM
• 第4话-寄存器组
• 第5话-运算器
• 第6话-指令集

第一话-人脑计算机

先清楚实现的目标，是通过硬件设计运行贪吃蛇，且为了简单起见不考虑撞墙和吃自己。

1.创建一条蛇，就是把蛇的数据存到计算机中，所以设计的计算机需要有存储数据的功能。

2.需要判断蛇的方向来决定执行哪个方向的更新，因而需要有条件判断。

3.在更新蛇头中有加法和减法的运算，所以我们的计算机要能够实现加法和剑法。

4.当我们更新完蛇身以后，需要跳转到之前的位置反复执行，所以还需要有过程跳转。

5.我们这些要求要用计算机能懂的语言告诉计算机，因而要有存储指令的功能

至此粗略的设计了完成贪吃蛇的必备功能

第二话-冯诺伊曼和哈佛

电脑主板上也就三个主要部分，CPU、内存和硬盘。目前计算机主要将程序和数据都存放在内存，是在执行之前从硬盘移动到内存中，再从内存读取执行。程序和数据共用一套地址和IO线路，所以硬盘(外存)只是程序的一个非易失性备份，这也就是两大计算机结构之一的​​冯诺伊曼结构​​。

另一种将程序与数据分开，程序放在只读的ROM存储器，数据放在RAM存储器中，和CPU之间分别走不同的数据线路，这也就是之二的​​哈佛结构​​，是这次研究的对象。

贪吃蛇如何在哈佛结构中运行呢？

CPU从ROM中取出第一部分程序，创建一条蛇。简单起见，创建一个长度为1的蛇，创建的过程就是把蛇头的x和y坐标值存在内存RAM中,CPU继续从ROM中取出下一个程序，移动这条蛇。假如现在是向右移动，就取出RAM中的X到寄存器中，将其加1后写回RAM中。

第三话-再谈RAM和ROM

存储器就像一组抽屉，比如一个256字节的存储器，就有编号0～255的抽屉，每个抽屉里能存放一个字节的数据，而这些抽屉被包裹起来也就形成了存储器。如果存储器中的数据是8位的，那数据线是8根。如果存储器的容量是256字节，地址线也是8根。假如从地址线中输入2,那么就会从数据线中弹出1号抽屉存放的数据，这就是​​ROM存储器​​的全部。

RAM比ROM多了个写入数据的功能，所以还有一个读写控制线，如果读写控制线是低电平0，那么代表读数据，数据线输出2号抽屉的数据，如果读写控制线是1，RAM单独有一个写数据线，写入时需要脉冲信号来驱动，所以RAM还有一个边沿触发的脉冲线

第4话-寄存器组

本次设计分配了8个寄存器，分别是r0~r7。寄存器的外部线路和RAM很类似。

第5话-运算器

蛇头的数据从RAM拷贝到寄存器后，需要将寄存器的值加1,这就需要运算器了。给寄存器的地址线通上0,指定读取r0的数据，读数据线接到加法器的第一个输入，第二个输入接入1,就可以得到结果5，输出。由于运算器需要实现多种运算，所以需要4位的控制信号，即有16种运算模式可以选择，当他为6进入加法模式，为4进入减法模式。所以这里给运算器的控制信号通上6，选择加法模式，这样就得到了结果5。

但是，参照MIPS架构，这里运算器的Dout不能直接通往RAM，必须通过寄存器组完成交互。因此，我们把运算器的Dout送到寄存器组的Din中，如下图

这里出现了第一个冲突：

​​读取RAM时，RAM的输出已经接入了寄存器组的输入，我们的运算器也要接入，怎么办？？？​​

​​Ans:​​此时用一个多路选择器(二路)即可，需要一位选择控制信号。该信号为0则选择运算器的输出，为1则选择RAM的输出作为寄存器组的Din。

问题又来了:

​​我们向寄存器组存入运算结果数据时发现，地址线在读取时被霸占了怎么办???​​

​​Ans:​​那么给寄存器组单独搞一个写地址线即可。也就是说读和写不仅数据线路分开，现在地址线路也分开了，彼此互不干扰。读写完全分开后，读写控制线也就不再需要了，它变成了写允许线，为1时允许写，为0时不允许写，读则不受他的控制，如此，寄存器组就可以同时读写。

所以在这个计算步骤中，寄存器组读地址通上0,选择读取r0,写地址通入1，选择写入r1，写允许线通上1(允许写)， r0数据和1一起进入运算器做加法运算，输出。寄存器组等待一个脉冲的边沿到来，到来时运算器的输出被写入了r1，如下图。

最后，把1号寄存器的值回写到RAM的1号位置中，覆盖原来的蛇头X坐标，自然，把寄存器组的输出接入RAM的输入，RAM的地址线通上1,读写控制线也通上1,处于写模式。寄存器组的读地址线通上1,特别注意，这时把寄存器组的写允许设为0（不允许写），数据抵达RAM的输入，等待一个脉冲的边沿，就完成了。

以上，就是编程语言的下列三行代码：

int snakeHeadX = 4;
// RAM的读写控制线置1(写),写数据线置4,地址线置1[X存于地址1]
// CLK边沿信号来时写入数据
int snakeHeadY = 4;
// RAM的读写控制线置1(写),写数据线置4,地址线置2[Y存于地址2]
// CLK边沿信号来时写入数据
snakeHeadX = snakeHeadX + 1;
// 这个操作分为三个步骤，如下：
### 步骤1：将内存中的X值写入寄存器r0
//将RAM的地址线置1,读写控制线置0,二路选择器置1(数据从RAM来)
//寄存器组的写地址线置0，写允许线置1 边沿信号到来 ---> %r0 = 4
### 步骤2：将r0+1后输出运算结果到r1
//寄存器组的读地址线0,写地址线写1,写允许线置1(写)-->Dout=4
//运算器控制信号置6(加法),第二输入置1,计算结果输出5
//二路选择器控制信号置0(数据从运算器来)
//CLK边沿信号到来时-->r1=5
### 步骤3：将r1的值输出写入到内存中X的地址中
//寄存器组的写允许线置0,读地址线置1,RAM的读写控制线置1,地址线置1
//CLK边沿信号到来时-->RAM1=5 [X=5]

第6话-指令集

上述的方法的确可以忠实地实现想要的功能，但是可以感觉到，上述的过程操作太复杂了，完成不同工作时，设置也不太相同，有点手忙脚乱。总结一下这些数据线和控制线的规律，在地址线里有寄存器组的两个地址线，RAM的一个地址线，总共有三个。

寄存器组的1位写允许信号，RAM的1位读写控制信号，RAM和运算器输出的1位选择信号，运算器的4位模式选择控制信号，当然，还有一个运算器的第二输入，这是一个纯数字，我们把这些地址数据和控制信号全部汇集到一起，就形成了计算机指令。我们参考32位的MIPS指令集来设计本次课程的指令结构，也就是说，每个指令长度32位。

首先，寄存器组有2个地址线路。

1. 寄存器组的读地址在指令的​​[25:21]位​​，这​​5​​位用来选择寄存器组的读取地址。换句话说，它选择一个寄存器作为CPU运算数据来源，所以把指令中这5位所在的区域称为源寄存器​​Register Source​​，简称RS区.
2. 寄存器组的写地址，在指令的​​[20:16]位​​,同样这​​5​​位用来选择写入寄存器组的写数据地址，换句话说，它选择一个寄存器作为输入的目的，我们把指令中这5位所在的区域称为目的寄存器​​Register Target​​，简称RT区.
3. 然后是运算器的控制信号，我们知道他的长度4位，但是MIPS指令结构中还是给他预留了​​6​​位，在指令的第​​[5:0]位​​,这6位所在的区域称为运算器的功能码区​​Funct​​
4. 在指令的最高​​6​​位为散装的1位控制信号.这块区域称为操作码区​​OpCode​​
5. 最后还剩下32-5-5-6-6=10位，作为运算器的第二个数据输入，处于​​第[15:6]位​​，称之为立即数​​Imediate​​

​​我们发现RAM的地址线目前还无法安放，先忽略他，会在合适的时候来讲它到底怎么处理。​​

所以，当我们想把R0寄存器+1后写入R1寄存器时，我们得到一条长长的二进制指令。

当我们把这个指令对应的数据接入各个控制信号和数据线路，也就自然的完成了把r0加1再存入r1的操作。

这个32位的指令忠实地实现了​​把源寄存器r0，通过加法运算器与立即数1相加，相加结果存到目标寄存器r1（这是因为二路选择器为0,选择接收运算器的输出）​​这一任务。

这种包含立即数的指令，实际上就是MIPS指令集三大指令类型之一的​​"I型指令"​​,I是immediate的首字母。

注：

我们只需要编写出不同的32位二进制指令，就可以实现对计算机的不同操作，而把这些这些组合在一起，就形成了复杂的软件程序，但，这还远远不够…

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