自定义指令集的CPU设计

前言：

         本人刚刚大学毕业，集成电路专业。初入芯片设计行业，对芯片设计流程有所了解，在此分享一下这方面技巧，希望能够给同样学习中的人带来启发，另外如果有任何意见、建议、批评，指正。

        本设计采用VERILOG 语言作为基础，由于集成电路专业同学大都掌握verilog语言，所以本文不过多介绍，如有需要请查看相关介绍。

        本文采用VCS编译平台，加VERDI组合，完成设计和测试。本人水平有限，文中难免出现错误，欢迎指正！

组成结构：

                 如图 1，CPU组成一般包括运算器，存储器，和控制器。还需要各个外设模块。

                       

                                                                                              图 1 

   运算器：

               运算器需要实现加法，减法等算数功能，还需要与，或，非，移位等逻辑操作功能，所以需要根据其设计目的，首先制作设计功能表。

                如图 2 为运算器模块设计框图，包括如输入输出类型，位宽。                                                      

    

   根据模块图设计真值表

 

加减法器的实现：

      多位加法器由一位加法器多次调用得到，所以只需要设计一个一位加法器即可。

     减法器，5-1,可以表示为5+（-1），所以只需要能表示负数，在调用加法器即可，所以采用补码的方式运算即可。

   如图4 为一个加法器。

  

经过多次调用，得到多位加法器。

根据真值表，确定使用什么功能。在使用加法时直接输入。在使用减法功能时，将被减数取反得到反码，在使用加法器得到商。

逻辑运算：

   逻辑运算就是与或非，直接根据真值表实现即可。

总体设计：

       最后将它们组合在一起，完成运算器的设计

.

最终IO

存储器：

          存储器主要是由4个通用寄存器，加一个状态寄存器组成。这部分比较简单，只需要设计一个寄存器，例化5次即可。

如图 为单个寄存器写法

最终IO 有 5个状态输入，D端输入，两个Q端输入，读写信号等组成

控制器

       控制器需要根据自己定义好的指令来控制运算器和存储器的工作，首先要先制定指令。

根据控制字来控制运算器与存储器，由于控制字过多占用bit太大，所以使用译码器，用8bit来控制。

如上图 全部指令为20bit，通过每个20BIT的数据就可以使CPU动作了。

具体详细设计见附件。

外设：

       GPIO  控制器， CPU通过总线配置GPIO内部的控制寄存器来实现IO口的不同功能。

       其具体配置见附件；

     UART 控制器， CPU通过总线配置内部的控制寄存器来实现不同功能。

        其具体配置见附件；

CPU综合：

                程序需要预先存储到RAM中，所以需要一个可以将程序加载模块。

               BOOT通过UART 将程序写入RAM中，写入完成返回DONE信号，CPU接到DONE信号后开始读取指令。

              下图为BOOT接口

        

    我们现在已经有运算器，存储器，外设，控制器，还有可以下载程序的BOOT，将其组合便可以完成一个简单的CPU设计。

   最终模块图

        

   BOOT与CPU连接图

仿真：

        通过UART向内部写入指令。

        测试使用指令功能：

                                       通过UART将GPIO采集到的数据发送出去。

       具体指令见附件

         仿真图：

          CPU读指令之后执行：

    

总结：

                    这只是一个非常简单的CPU模型。当现在CPU设计思路大体相同，希望能够抛砖引玉，给同学们一些启发。

                   所以设计文件在附件之中，可随时下载。

附件： 

    http://download.****.net/detail/qq_29196023/9879493