CPU又名中央處理器，作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。Logisim是一款邏輯電路設(shè)計(jì)仿真軟件，我們可以在這個(gè)軟件上面繪制各種邏輯電路，當(dāng)然也包括CPU。

電腦中有intel、AMD、Apple的CPU，手機(jī)中也有華為、高通、Apple的SOC，每次我研究這些他們?cè)O(shè)計(jì)的硬件時(shí)，總是覺(jué)得研究得不能很深入，往往只是看看官網(wǎng)參數(shù)和一些評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)罷了。但是有些時(shí)候，總是有那么些不合常理的存在讓我對(duì)CPU的認(rèn)知一次又一次地被刷新。半年前是AMD（他們的筆記本CPU性能竟然直逼臺(tái)式機(jī)），幾個(gè)月前是Apple（他們的15W的M1芯片竟然砍倒一片幾十W乃至幾百W的臺(tái)式機(jī)CPU，核顯更是劍指獨(dú)顯）。這使我很煩躁，因?yàn)橹皇窃谕忸^看個(gè)熱鬧，很多原因我不能探明。所以就有了以下的一切。

這是第一章節(jié)《單周期CPU》

下面直接上圖：

這便是該CPU全貌了

左上的部分是取指單元，其作用是從指令內(nèi)存中取出指令。右上是譯碼單元，其作用是把指令所需操作翻譯成電路的控制信號(hào)。右下是計(jì)算單元，通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)可以進(jìn)行兩數(shù)四則運(yùn)算，并且可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)內(nèi)存，讀取或者寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖中有深綠、亮綠和黑色的線，深綠色意味著這條線的電壓是0V，亮綠色則為1V，黑色是因?yàn)槊扛谏€都由若干根深綠或亮綠線組成，所以統(tǒng)一顯示成黑色。

這個(gè)CPU采用自己瞎編指令集（ISA），屬于精簡(jiǎn)指令集。與復(fù)雜指令集的區(qū)別在于它精簡(jiǎn)……之所以沒(méi)有使用別人的指令集是因?yàn)槲疫€在學(xué)習(xí)，下一次更新會(huì)采用RISC-V的開(kāi)源指令集。有人可能會(huì)覺(jué)得難道自己造指令集不好嗎？好又不好。這個(gè)問(wèn)題我先挖個(gè)坑放著，有空我再講。

字長(zhǎng)為16位寬，意味著每次可以做16位的二進(jìn)制運(yùn)算，也就是最大2的16次方（65536）的運(yùn)算，可以尋65536的內(nèi)存地址。目前主流在32位和64位，只有少數(shù)單片機(jī)還在用16位，下次更新會(huì)更到32位?？赡苡腥藭?huì)有疑惑，如果我要計(jì)算的數(shù)字是天文數(shù)字呢？你就是64位也不夠怎么辦？首先，我們可以多做幾次運(yùn)算，這個(gè)可以通過(guò)專門的計(jì)算器程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。（求積分的軟件都有這個(gè)不算什么），其次可以使用浮點(diǎn)運(yùn)算。但是我這個(gè)CPU沒(méi)有浮點(diǎn)運(yùn)算單元。（滑稽臉）這個(gè)挖個(gè)坑以后講。

單周期（single cycle），每個(gè)時(shí)鐘周期只能做一次運(yùn)算。難道還能做好多次嗎？能的，那就是流水線或者超標(biāo)量技術(shù)甚至多核心。級(jí)數(shù)越高的流水線每個(gè)時(shí)鐘周期可以做越多次的運(yùn)算。五級(jí)流水線是最經(jīng)典的流水線級(jí)數(shù)，當(dāng)下主流的CPU的流水線級(jí)數(shù)都在8-15之間，也有20多的超流水線。但是流水線不是越深越好，凡事都有個(gè)度。再挖個(gè)坑，以后講。

僅具備簡(jiǎn)單加減乘除的運(yùn)算功能，當(dāng)然也可以寫個(gè)開(kāi)方或者冪程序來(lái)支持高級(jí)運(yùn)算。目前大多數(shù)的復(fù)雜運(yùn)算也都是基于程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，直接固化在硬件電路中的也比較少見(jiàn)。據(jù)我所知，intel有把開(kāi)平方寫在指令集和硬件電路中，這樣的好處是可以更快地求得結(jié)果，減少中途程序的調(diào)度過(guò)程。下一次更新會(huì)增加好多個(gè)運(yùn)算電路，同時(shí)砍掉乘除，因?yàn)?a target="_blank">RISC-V中的RC32I不支持乘除指令，所以下次先砍掉。

該CPU一共有4個(gè)寄存器，沒(méi)有緩存。相比之下，目前的CPU有幾十到幾百個(gè)寄存器，以及數(shù)kb的緩存。這個(gè)也會(huì)在下次更新補(bǔ)足到32個(gè)的。

這個(gè)CPU的解碼部分也很有趣。我參考了x86的微指令設(shè)計(jì)。什么意思呢，就是正常的解碼電路都是靠硬件邏輯解碼硬解出來(lái)的，我這個(gè)不一樣，是像查字典一樣查出來(lái)的。這個(gè)字典就是圖右上部分的ROM。這樣的好處是不用設(shè)計(jì)電路了，實(shí)際電路生產(chǎn)中，如果電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題就得從頭再來(lái)，再設(shè)計(jì)再生產(chǎn)。但是如果是我這種設(shè)計(jì)方式，改改ROM里的數(shù)值就行了，無(wú)法是給個(gè)軟件升級(jí)。壞處也有，就是ROM實(shí)現(xiàn)方式占地太大，并且速度慢，功耗高。不過(guò)如果是在FPGA中大家都一樣。FPGA我就再挖個(gè)坑吧。

對(duì)了，這個(gè)CPU有個(gè)bug，就是立即數(shù)（直接在程序中給明的數(shù)）不能直接參與運(yùn)算，本來(lái)實(shí)現(xiàn)之初是有考慮到的，這個(gè)改也不難，但是現(xiàn)在忙著設(shè)計(jì)第二代，算了，留點(diǎn)遺憾才是完美。


審核編輯：劉清