深入设计电子计算器(一)——CPU指令集设计
版权申明：本文为博主窗户(Colin Cai)原创，欢迎转帖。如要转贴，必须注明原文网址 http://www.cnblogs.com/Colin-Cai/p/8254096.html 作者：窗户 QQ：6679072 E-mail：6679072@qq.com
前几天写了一篇《如何设计一个电子计算器》，一个朋友看了之后说实在太low，好吧，依照他的意思，那我就采用文中FPGA设计的方式，然后自己从指令集设计、cpu设计、汇编器设计、汇编程序设计一路设计过去，再多写个几篇水文，组一个系列，取名就叫《深入设计电子计算器》。基本的计算器原理方面，还是先看一下《如何设计一个电子计算器》。
设计的第一步，是设计CPU的指令集，我这里一切从零开始设计。以前想在chinaunix召集人设计一个32位处理器来学习学习，并移植gcc或者llvm来编译C语言，当时考虑做一个RISC，采用三条流水线，最终移植编译器有人而一起设计CPU没人。当然，本系列只是一个抛砖引玉，我并不打算用很深的原理来设计这个CPU，那会花费很多的时间与精力，而只是让这个CPU可以运行起来而已。
此CPU为16位，CPU核中有8个通用寄存器，为r0~r7，都为16位寄存器。指令存储和数据存储分开，采用哈佛结构，两套总线。
有两个中断信号，对于我这个演示来说应该足够了。中断信号外面接一个中断控制器，接入两个中断源。这两个中断源一个接定时器，另外一个直接拖出去给外部用。而中断控制器和定时器都挂在数据总线上，以便CPU来设置。
整个模块架构如下：
设置以下指令：（rn、rm这里，n、m为寄存器数字编号,i为立即数，但不同指令范围有区别，=>是赋值,[r7]在这里代表r7地址的数据RAM）
赋值指令：
mov rn, rm rm=>rn
movi rn, i i=>rn 此处i为立即数，范围0~65535
movib rn,i i=>rn 此处i为立即数，范围0~255
movtr rn rn=>[r7]
movfr rn [r7]=>rn
算术指令：
add rn, rm rn+rm=>rn
sub rn,rm rn-rm=>rn
addi rn,i rn+i=>rn
subi rn,i rn-i=>rn
mul r0Xr1=>r2:r3
umul r0Xr1=>r2:r3
div r2:r3/r0=>r1,r4
udiv r2:r3/r0=>r1,r4
逻辑指令：
and rn, rm rn&rm=>rn
or rn,rm rn|rm=>rn
xor rn, rm rn^rm=>rn
not rn ~rn=>rn
sl rn,i rn<<i=>rn
sr rn,i rn>>i=>rn
跳转指令：
bz i 如果上一条指令出现了0就跳转到当前指令地址+i
bb rn,i,im 如果寄存器rn的第i位为1就跳转到当前指令地址+i
b i 无条件跳转到i地址
call i 把下一条指令地址压栈，r0~r7压栈，并跳转到i地址
ret 把之前call压栈的r0~r7恢复，并回到call压栈的执行地址
reti 当中断发生的时候，会把当前执行地址，r0~r7压栈，reti会把这些寄存器弹出，并回到之前执行地址，并通知中断控制器
这些指令对于CPU基本是完备了。
以上指令集还有点问题，我也还没有设计准确的opcode，可能会被修改，但我尽我自己完成这一系列，本篇是这个系列的第一篇。尽管偷工减料版也可能会花去我相当的时间，但我想对于来看的网友多少有那么一点点帮助吧，那就可以了，希望支持。