CPU - IPS99技术分享

标签：触发器取反电路输入测试 CPU 进位

缘分

为了知晓了CPU的实现原理，在B站搜索CPU实现后，找到了一个非常好的视频教程叫做一个8位二进制CPU的设计和实现。

看了之后不仅解开了心中的疑惑，也更加了解熟悉CPU了，感谢UP主踌躇月光的分享。

故本节内容多参考以上视频内容，可理解为笔记整理。

CPU的组成

CPU全称为central processing unit，又称中央处理器，芯片样式如下图：

其组成部分如下图：

可以分为运算器和控制器，还有一些缓存（目前工艺多为3级缓存）：

运算器
- 算术逻辑单元 ALU
- 寄存器（暂存寄存器、累加寄存器、通用寄存器组、标志寄存器等）
控制器
- 程序计数器 PC
- 指令寄存器 IR
- 指令译码器
- 时序信号发生器（时钟频率）
- 微程序控制器
- ...

前置条件

需要具备如下技能：

数字逻辑基础知道3大逻辑门（与And、或Or、非Not）
数字电路软件 Logic Circuit

组合逻辑电路

半加器

定义

半加器电路是指对两个输入数据位相加，输出一个结果位和进位，没有进位输入的加法器电路。

参数说明

输入
- A：数值a
- B：数值b
输出
- S：结果sum
- C：进位carry

真值表

A	B	S	C
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

公式

S = A^B (A异或B)
C = A&B (A与B)

电路实现

电路测试

全加器

定义

全加器英语名称为full-adder，是用门电路实现两个二进制数相加并求出和的组合线路，称为一位全加器。一位全加器可以处理低位进位，并输出本位加法进位。多个一位全加器进行级联可以得到多位全加器。

参数说明

输入
- A：数值a
- B：数值b
- CI：进位输入
输出
- S：结果sum
- C：进位carry

真值表

A	B	CI	S	C
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

公式

S = A ^ B ^ CI (A 异或 B 异或 CI)
C = A&B + CI&（A^B) (A与B 或上 CI与（A异或B）)

电路实现

电路测试

8位加法器

定义

在有了1位全加器之后，通过组合8个位实现8位的加法器。

[!WARNING]
注意：该加法器暂未支持负数。

参数说明

输入
- A：数值a
- B：数值b
- CI：进位输入
输出
- S：结果sum
- C：进位carry

电路实现

电路测试

[!TIP]
注意：其中数字组件叫做探测器，显示的是16进制。

8位取反器

定义

计算机中是通过补码来做减法运算的，所以需要封装带开关的8位取反器。

参数说明

输入
- EN：开启取反开关
- A：数值A
输出
- S：结果

电路实现

1位的取反器电路如下：

将8个1位的取反器按下图电路组合得到8位取反器：

电路测试

ALU(支持加法和减法)

支持减法

在8位加法器基础上，支持减法，并处理进位。

计算机中减法原理：
A - B = A + B的补码
B的补码=B取反 + 1

进位的处理

真值表如下：

CI	C	CO
0	0	0
0	1	1
1	0	0
1	1	0

当CI为0时表示做加法，有进位则保留；当CI为1时表示做减法，抛弃进位。

则CO = CI取反 & C，也就是ALU组件中处理进位的电路。

电路优化

如下ALU电路改进支持加法和进位处理:

其中，8BN组件是当EN位真时，8位输入取反输出到S。DE为开启减法标准位，连接到CI和EN上，表示开启加法，且在取法后给进位为1的值，巧妙地用电路表达了取法加1（补码）。

ALU测试

7段数码管之1灯16进制显示

定义

利用7段数码管显示数值，可以显示16进制数，从0-f。

参数说明

显示的是16进制数，故共16个数，需要一个4个2进制位的输入。

电路实现

（改电路被封装为1L的组件，方便后续扩展）

通过测试可以找出各个数值对应的二进制，如下图8对应的二进制为0111 1111。

利用ROM来做数值显示，依次测试可知对应数值的二进制，然后转为16进制写入ROM即可。

数值	二进制	16进制
0	0011 1111	3F
1	0011 0000	30
2	0101 1011	5B
3	0100 1111	4F
4	0110 0110	66
5	0110 1101	6D
6	0111 1101	7D
7	0000 0111	7
8	0111 1111	7F
9	0110 1111	6F
A	0111 0111	77
b	0111 1100	7C
C	0011 1001	39
d	0101 1100	5E
E	0111 1001	79
F	0111 0001	71

电路测试

7段数码管之8位16进制显示

定义

将一个8位的2进制数，利用2个7段数码管显示。

电路实现

电路测试

7段数码管之8位10进制显示

定义

将一个8位的2进制数，利用3个7段数码管显示。

电路实现

注意：

8位的2进制数（整数），范围是0-255，故需要3个7段数码管。
1个数码管需要4位输入，则3个需要12位输入，则ROM数据位宽为12。
输入的是8位数，则ROM地址位宽为8。

如上数据需填写0-255到ROM数据矩阵中，利用python生成需要的二进制文件。

with open('test.bin', 'wb') as f:
    for i in range(256):
        var = str(i)
        var = int(var, base=16)
        byte = var.to_bytes(2, byteorder='little')
        print(byte)
        f.write(byte)

电路测试

[!WARNING]

提出问题：如何让001显示为1？想知道答案请查看21选择器章节。

21选择器

定义

有2个输入，分别为A和B，以及一个有效位。

有效输出A，无效输出B。

参数说明

输入
- A: 值a
- B: 值b
- EN: 有效位
输出
- S：结果

真值表

EN	A	B	S
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	1

公式

S  = EN&A + !EN&B (EN与A 或上 非EN与B)

电路实现

电路测试

---

8位21选择器

定义

将8个1位的21选择器组合后得到8位的21选择器。

电路实现

电路测试

7段数码管增强

定义

将上面封装的7段数码管组件增加有效才显示（基于8位21选择器实现），无效不显示功能。

参数说明

在原来基础上新增是否有效输入。

电路实现

电路测试

7段数码管8位10进制显示增强

定义

显示时无效0不显示，如：

001 显示为1
091 显示为91
102 显示为102

电路实现

其中4BN为4位取反组件。

百位有效条件：ROM出来的4位值不能位0000，则先取反再与上1111，等到1则为有效。
十位有效条件：ROM出来的4位值不能位0000或者百位有效。

电路测试

同理16进制显示增强

电路增强如下：

测试如下：

时序逻辑电路

R-S触发器

定义

R-S触发器又名复位-置位触发器（R-复位RESET，S-置位SET。），基本结构是由两个与非门（or或非门）的输入、输出端交叉连接而成。

参数说明

输入
- R：复位Reset标志
- S：置位Set标志
输出
- Q：值
- Q‘：值的反

真值表

R	S	Q	Q’
0	0	Q	Q‘
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	0	0

电路实现

电路测试

D触发器

定义

D触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。

D触发器能存储1位的数据，在内存中。（可以用做寄存器）

参数说明

输入
- EN：是否有效
- Data：数据
输出
- Q：存储的值
- Q’：值的反

电路实现

电路测试

当EN=1时，Q存储的是D的值。

D边沿触发器

定义

让计算机在上升沿存储数据，在下降沿做其他事情。能够存储一位的信息。

参数说明

输入
- D：数据
- CP：时钟上升沿
输出
- Q：存储的值
- Q‘：值的取反

电路实现

2个D触发器组合，再CP=1时存储D的值到Q中。

电路测试

当CP变为1时，会将D中的值设置到Q中。

[!WARNING]
注意：目前为止，触发器每次启动时的Q的值是无序的，需要新增清零和预置状态来优化。

触发器优化

定义

以上触发器每次在启动时Q的值都是随机的，为了解决这个问题，需要新增清零和预置状态来优化。

优化思路

R-S触发器增加清零Clear和预置Preset标准，连到3位的或非门上。

R-S触发器优化

D触发器优化

D边沿触发器优化

D边沿触发器优化后测试

D边沿触发器实现跑马灯

T触发器

定义

T触发器是在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号T取值的不同，具有保持和翻转功能的触发器，即当T=0时能保持状态不变，当T=1时一定翻转的电路。

电路实现

电路测试

在时钟上升沿时翻转输出值。

行波计数器

定义

基于T触发器，实现计数器。

电路实现

电路测试

标签：触发器,取反,电路,输入,测试,CPU,进位
From： https://www.cnblogs.com/wish-dj/p/17187508.html