简易CPU设计入门：本CPU项目的指令格式

在这一节里面，主要是理论知识，基本上不讲代码。不过，本项目的代码包，大家还是需要下载的。

本项目的代码包的下载方法，参考下面的链接所指示的文章。

下载本项目代码

本节，其实是要讲本项目CPU的指令集。

什么是指令集？

我的理解，一个CPU，它所支持的所有的指令的集合，就叫做它的指令集。

同一个架构的CPU，会支持大致相同的指令，且功能大致相同。像这样的，支持大致相同的指令的架构，叫做指令集架构。英文简写为ISA，全称为：Instruction Set Architecture。

我们这个CPU项目，它也有它的指令集。不过，暂时谈不上什么架构。

本项目使用的指令集，大体上，和姜咏江先生的书，《自己设计制作CPU与单片机》里面所用的指令集是一样的。指令格式大致相同。我给大家贴一下姜咏江先生的这本书的图片。

现在呢，大家在淘宝网，当当网等等的电商平台里面，应该还能够买得到。

我的这个项目，我只是采用了其中的一部分的指令，且有的指令，我作出了一点调整与改动。

接下来呢，我来讲一讲本项目CPU所使用的CPU指令格式。

一. 本项目CPU所用的CPU的指令格式

首先呢，我将姜咏江先生的书3.5.1节中所说的指令给贴出来。大家先略微看一看就行。

格式   机器指令编码   汇编指令   功能解释
1 00001 Lda r 将dram的r单元的数取出来，送到累加器da
2 00010 Add r dram的r单元的数与累加器da相加，结果放在da中
3 00011 Out r 将dram的r单元内容送到out寄存器输出
4 00100 Sdal n 将常数n送入累加器da的低8位，并扩充成16位有符号数
5 00101 Sdah n 将常数n送入累加器da的高8位，并与低8位组成16位有符号数
6 00110 Str r 将累加器da的内容送到dram的r单元保存
7 00111 Sub r dram的r单元与累加器da相减，结果放在累加器da
8 01000 Jmp r 跳转到iram的r单元
9 01001 Jz r 若da=0，则跳转到iram的r单元
10      01010 Jn r 若da<0，则跳转到iram的r单元
11      01011 Call r 调用子程序r，r是子程序地址
12      01100 Ret 从子程序返回
13      01101 Mult r dram的r单元与累加器da相乘，结果放在累加器da
14      01110 Divi r dram的r单元与累加器da相除，结果放在累加器da
15      11111 Stp 停止

最左列，为格式。其实它也是5bit的指令码对应的十进制数。

第二列，为机器指令编码，是二进制码。大家对照着第一列和第二列的格式码与机器指令码，就会发现，除了最后一行，其余的行里面，某一行的机器指令编码所对应的二进制数，与第一列中的十进制数的值是相等的。

第三列，是表示这个机器指令的汇编指令格式码。

第四列，为对这一指令的功能介绍。

原书的3.5.1节共设计了15条指令。我选取了这15条指令中的一部分指令，并且略作修改，形成了本CPU所支持的指令集。本CPU项目支持的指令集如下。

格式   机器指令编码   汇编指令   功能解释
2 00010 Add r   dram的r单元的数与累加器da相加，结果放在da中
4 00100 Sdal n   将常数n送入累加器da的低8位，并扩充成16位无符号数
6 00110 Str r 将累加器da的内容送到dram的r单元保存
7 00111 Sub r   dram的r单元与累加器da相减，结果放在累加器da

在功能解释部分，ram也好，dram也好，都指的是内存。而累加器，在功能解释部分，是用da来表示的。

（一）累加器的概念

关于累加器，学习过汇编语言的同学，对它应该是并不陌生的。没学过的，可能会有些陌生吧。

我略微来谈一谈。

在英特尔8086处理器里面，有8个通用寄存器，这些通用寄存器，都是16位的。列示如下。

图1所示的，英特尔8086CPU的8个通用寄存器，大家可以看一看。不要求记忆，但是呢，你还是应该对此有所了解。最好呢，以后可以渐渐地做到心里头熟悉这张表。

在图1里面，第一个寄存器，是累加器AX。关于累加器，大概起初在设计它的时候，就是为了用它做加法运算。然而，这基本上算是一个大忙人。好多的运算，都会用到累加器。包括我们自己编写汇编代码的时候，也常常会去使用累加器。累加器，是一个相当常用的寄存器。

我目前所接触过的CPU有两个，一个是英特尔架构的CPU，另一个是小时候的小霸王游戏机里面会用到的 6502 CPU。

在6502 CPU里面，也有累加器。而在姜咏江先生的书里面，同样是提到了累加器。

当前，电脑上使用的CPU，以英特尔和AMD公司的CPU为多。这俩公司的CPU，都属于英特尔的X86架构的CPU。而在手机，平板电脑上，使用的，大概以ARM架构的CPU为多。ARM架构的CPU的汇编代码，我还没有学习过。我估计，在ARM汇编里面，大概，也会使用到累加器。

累加器，大概会是各种CPU都是用到的一个寄存器。

（二）ram的概念

ram，是一个英文缩写，全称是 random access memory，中文翻译为随机访问存储器。它可以分为两种类型，一个是动态随机访问存储器，英文缩写为DRAM，另外一个是静态随机访问存储器，英文缩写为SRAM。

在速度上，SRAM要比DRAM快好多。不过，由于SRAM造价比较高，所以，在我们的计算机里面，并没有用SRAM来制作内存条，而是用DRAM来制作内存条。而SRAM，也是有使用的，主要是用于CPU中的高速缓存。

在我们的系统中，不存在SRAM，不存在CPU缓存，只有DRAM。所以，在我们的系统中，你可以认为RAM与DRAM是同义语。

在我们的系统中，我是用Quartus II软件的IP核，生成了两个ram IP核。这俩ram，一个是专门用来存储机器指令码，另一个是专门用来存储数据。这么去处理的原因，是因为，姜咏江的书是这么写的，另一个教写CPU代码的书也是这么写的。

大家都这么写，我也就跟着这么写了。

现实中的内存条，也就是DRAM，你可以将其看作是一个大的字节数组。每一个内存单元的尺寸，是1字节。如果某一个内存条的的容量是1024B，则它能够存储1024个字节。字节编号，就是这个内存单元的地址。

内存地址从0开始编号。内存地址511为第512个字节单元。

现实中的内存地址，指的是字节编号。

而在我们的这个系统中，内存地址，并非字节编号。我们这个系统，每一个内存单元的尺寸，是16bit，2字节。2字节，在汇编语言中，可以被称为一个字。我们的ram，每一个单元的尺寸，都是2字节，一个字。字编号，才是我们这个系统的内存地址。而我们的系统中，内存地址依然是从0开始编号。

举例来说，在我们这个系统中，内存地址0，它对应着现实内存的地址0和地址1。

本系统内存地址现实内存的地址

0 0和1

3 6和7

10 20和21

1024 2048和2049

（三）指令码讲解

我来讲一讲本系统使用的4条指令的功能。

首先来看下面一条指令。

格式机器指令编码汇编指令功能解释
4 00100 Sdal n 将常数n送入累加器da的低8位，并扩充成16位无符号数

上述指令，它是一个基本的立即数加载指令。我们平时所说的常数，指的是1,2,3,3.5等等的整数与小数之类的，数值保持不变的。在程序设计语言中，英文字符，中文字符也都是常数。

如果你在C语言中定义了如下的代码

#define NUM_01 102

那么，NUM_01 也成为了一个常数，它代表着102。

如果你在英特尔8086汇编语言中定义了如下的代码

NUM_02 = 103

则 NUM_02 也会称为一个常数，所代表的数是103。在汇编语言中，常数，也被称作立即数。这是因为，很多时候，汇编语言或者机器语言中参与运算的数，很多时候是需要去寻址的。这个数，要么是被存放在寄存器中，要么是被存放在内存地址里面。而有的时候，实际参与运算的数，并不存放在寄存器或者内存中，而是在指令中直接给出这个常数。所以，在汇编语言中，常数就被称作立即数了。

把它叫做立即数，是因为不需要从寄存器或者内存中将其寻找和取出来，而是可以立即从指令码中得到。

格式4所对应的指令的功能是，将立即数n送入累加器的低8位，并且扩充成为16位的数。

比如说，我们可以将30这个整数，送到累加DA中，并且扩充为16位的数。

在这里，为啥会提到扩充为16位呢？

现实中的处理器，它可以有着不同尺寸的指令。有的指令为1字节，有的为2字节，也有3字节和4字节，乃至更多的字节的指令。而在我们的系统中，所有的指令都是2字节的大小。

一个机器指令，要分为操作码和操作数两部分。我们这个系统里面，所有的指令都是操作码占一个字节，操作数占一个字节，所以都是2字节的指令。

在我的这个系统中，我设置了8个通用寄存器，而实际使用到的，仅仅是第一个通用寄存器，累加器。这个累加器是16位的。

Sdal n，这个汇编指令，它的操作码要占据一个字节，其中会包含机器指令编码【00100】。操作数n也要占据一个字节。操作数n为8位，一个字节。本指令，其实是要将8位的立即数n送入16位的累加器DA中。

在操作的时候，是将8位的立即数n送入累加器DA的低8位，而将DA的高8位清零。

我这样子解释，希望大家能听懂。

我们再来看下一条指令

格式机器指令编码汇编指令功能解释
6 00110 Str r 将累加器da的内容送到dram的r单元保存

上述指令，是将累加器DA中的数，送入内存单元r中。

比如说，将累加器DA中的数12送入内存单元63中。

注意，我们系统的内存单元63，它的尺寸是2字节的。它对应着现实的内存的126和127两个字节单元。

在这里，我所使用的汇编指令符号，都是抄的姜咏江的书的。我自己其实并不喜欢这种风格的汇编书写格式。因为，我平时所用的，基本上都是英特尔汇编，我更喜欢【mov ax, cx】，【add cx, [1234H]】这样的书写方式。然而，我在写代码的时候，还是偷懒了，没有去认真地设置指令的机器码编码格式，也没有去认真地设置汇编指令书写格式。

当时写代码的时候，我是追求着，快点将这个项目给写完，凑合着搞出来一个简易的CPU就行了，所以也没有认真地去设计指令格式啥的。

如果以后，我自己再去认真一些地，去写一个CPU的话，我是希望，能够将6502 CPU，给实现出来。如果能够再认真一些，我希望能够将8086 CPU，给部分地实现出来，好在自己写的8086 CPU里面，运行着8086汇编代码。

本项目所用的汇编指令格式，如果你不需要这样的符号，你就自己去改好了。此处，我实在是不想费这个事。

最后，我们再来看剩余的两个指令的格式。

格式   机器指令编码   汇编指令   功能解释
2 00010 Add r   dram的r单元的数与累加器da相加，结果放在da中
7 00111 Sub r   dram的r单元与累加器da相减，结果放在累加器da

2号和7号指令，分别是加法与减法指令，将DRAM的r单元中的数与累加器DA中的数作运算，运算结果存放在累加器DA中。

我这里所列出的汇编指令里面，都没有涉及通用寄存器的编号的问题。像是 Add r，Sub r，Str r ，都是在汇编指令里面，仅仅指出了内存单元 r，而并未指出要操作哪个通用寄存器。

之所以未指定寄存器的编号，这是因为，在我们的这个系统中，仅仅使用了一个通用寄存器，就是第1个通用寄存器，累加器DA。