1bit CPU writeUP

About

其实也不是啥新的东西了… 好早之前就做好了, 只是一直没来得及写一些解释性的文字. 恰好最近稍微有点空, 来小小写个说明.

项目地址在: li-yiyang/one-bit-cpu (github) 上. 懒得看解析的, 可以直接看代码. 以及项目的最初来源为 nato64/1bit-CPU.

原始逻辑门电路的分析

还请直接看电路图

(原始图片在 nato64 repo 中)

这里把图片抽象一下, 大概如下图所示:

其中:

• Registers: 74HC74 芯片 为一个双 D 触发器的一个逻辑芯片, 在这里用作一个一位寄存器的功能.
• Memory: 通过两个 2 位编码开关来实现选择.

  这里通过 74HC14 芯片 (6 个施密特反相触发器, 作用类似于二值化模拟电平并反相输出, 可以简单看作是非门) 以及二极管实现了选择哪一个编码开关的功能: 若 PC 为 HIGH, 则 SW1 相当于是悬空而 SW2 生效.

• ALU: 通过 74HC00 芯片 (与非门) 实现的 XOR (异或门).
• 多路选择器: 通过 74HC153 芯片 (4 输入选择器) 实现对结果的选择.

  两个结果一个给了 Reg A (Y1) 另一个给了 PC (Y2).

• Display: 通过几个 LED 显示 Reg A, PC, Clock 的情况.

复刻的尝试

正如上面所分析的一样, 这里把整个 CPU 做一个分割:

• Clock: 时钟部分
• Register: 寄存器, 通过时钟上升沿进行数据的写
• ALU: 包含多路选择器的输出和逻辑计算部分
• Program: 连接外部的编码器
• Display: 连接显示的 LED

// Clock
wire clk;
slower_clk #(.SLOW_RATE(20_000_000)) slower_clk (.clk(clock), .slow_clk(clk));   

// Register
wire reg_out, pc_out, a, p;
register reg_a (.clk(clk), .set_p(1), .data(reg_out), .reset(reset), .data_reg(a));
register pc    (.clk(clk), .set_p(1), .data(pc_out),  .reset(reset), .data_reg(p));

// ALU
wire [1:0] code;
alu alu (.reg_in(a), .pc_in(p), .code(code), .reg_out(reg_out), .pc_out(pc_out));

// Program
assign code = p ?
              memory[3:2] :
              memory[1:0];

// Display
assign clk_led = clk;
assign reg_led = a;
assign pc_led  = p;

(具体请参考: one-bit-CPU/cpu.v 中的代码)

不难发现每一部分的功能都非常容易实现, (所以我觉得作为一个 FPGA 的练手项目简直非常适合).

Clock

这里用计数器实现将板子 (Nano Tang 9K) 自身的时钟 (27MHz) 变成一个慢时钟.

方法就是计数, 若达到一定值, 则翻转输出

always @(posedge clk)
  if (counter == SLOW_RATE) begin
     counter <= 0;
     slow_clk <= ~slow_clk;        
  end else
    counter <= counter + 1; 

(具体请参考: one-bit-CPU/slower-clock.v 中的代码)

ALU

在 Verilog 里面写这种就感觉轻松好多了呢… 基本上只需要规定好控制部分和参数部分即可, 比如:

// code[1] is the cmd, code[0] is the arg
assign reg_out = code[1] == 1'b0 ?
                 reg_in ^ code[0] : // xor
                 reg_in;            // reg

assign pc_out  = code[1] == 1'b1 ?
                 code[1] & code[0] : // jmp
                 ~pc_in;             // pc++

(具体请参考: one-bit-CPU/alu.v 中的代码)

注: 这里我就想要吐槽一下我之前的代码定义了… 不是一般会把命令放在前面, 但是为什么会反过来呢.

啊, 这里思考了一下, 发现自己以前还是很聪明的 (并没有). 这里应该是 Big-Endian 和 Little-Endian 的区别. 在这里, 1'b10 的 [1] 指向的是 1 (即从右往左).

注: 这里还要吐槽一下… 诶, 写代码最好不要太过依赖复制了… 因为我发现旧的代码因为复制的原因导致了一个命令的错误 (one-bit-CPU@02b73ce).

Register

寄存器大概长这样:

// At every clock, if set_p, set data_out as data
always @(posedge clk)
  if (reset == 1'b0)
    data_reg <= 1'b0;        // reset data_reg
  else if (set_p == 1'b1)
    data_reg <= data;        // set data_reg

(具体请参考: one-bit-CPU/register.v 中的代码)

这里有一个小小的坑, 因为我用的开发板上的按钮的电平是按下为低 (?), 所以一开始仿真测试的时候搞反了…

Coding for 1bit CPU

虽然可以支持的程序大小只有 2 条指令, 但是又不是不能用. 你甚至可以通过历遍程序的方式来实现对程序的所有的编程.

Assembler 和 Disassembler

直接看 one-bit-CPU/alu.v 中的代码, 可以发现命令就两种:

• XOR <a>: 为 0* 的形式
• JMP <l>: 为 1* 的形式

于是很容易就可以对代码 (* * * *) 的形式写一个简单的 disassembler:

(defun disassembler (code)
  "1 bit cpu disassmbler"
  (when code
    (destructuring-bind (cmd arg . rest) code
      (cons (ecase cmd
              (0 (list :xor arg))
              (1 (list :jmp arg)))
            (disassembler rest)))))

同理也有 assembler:

(defun assembler (code1 &optional (code2 '(:jmp 0)))
  "1 bit cpu assembler"
  (flet ((:> (code)
           (destructuring-bind (cmd arg) code
             (list (ecase cmd (:xor 0) (:jmp 1)) arg))))
    (append (:> code1) (:> code2))))

代码上的分析…

嗯, 虽然我觉着手动分析有点麻烦, 但是毕竟代码还是简单嘛…

(:jmp 0) xxx 和 xxx (:jmp 1) 原地 TP

比如说代码类似于: (:jmp 0) xxx 这样的程序. 相当于是一直原地 TP, 此时 PC 保持 0 不变, REG A 保持不变.

而 xxx (:jmp 1) 相当于是做了一条指令后进行原地 TP.

(:jmp 1) xxx 和 xxx (:jmp 0) 单指令有效

类似于 (:jmp 1) xxx 和 xxx (:jmp 0) 这样的程序, 相当于直接浪费了一个代码槽, 只有一个 XOR 的功能.

剩下的?

大概就是 XOR 吧, 剩下的直接看仿真吧…

仿真测试

诶, 仿真…

真是让人伤心和头秃, 一开始以为自己以前的代码写错了, 结果最后发现是自己仿真的测试条件搞错了…

诶.

(具体代码请看: one-bit-CPU/cpu_test.v)

仿真的结果如下 (大家就图一乐吧, 还没有写比较用的检测代码, 但是太晚了先去准备睡觉了. )

(仿真时的参数: STEP = 10, LENGTH = 16)

后记

大概, 就酱, 去吃饭了.

又, 加一张在板子上跑的结果:

如您所见, GIF 里面显示的是一个代码对应为 (1 1 0 1), 即 ((:jmp 1) (:xor 1)) 的程序, 等价于 ((:xor 1)), 图中可见 PC (三盏灯中最下方的一个) 常亮, REG A (中间) 不亮.