開放電腦計畫 (6) – 一顆只有 51 行 Verilog 程式碼的 16 位元處理器 MCU0 (作者：陳鍾誠)
簡介
在前兩期當中，我們設計出了出了CPU0 處理器的 Verilog 程式碼 ，文章網址如下：
如果您讀過上述文章，應該已經瞭解如何用 Verilog 設計 CPU 了。
但是、 CPU0 雖然已經設計的很簡單了，但其實我們還可以設計出更加簡單的處理器。在本期中、我們將提出一個 更簡易的 16 位元 CPU 微控制器，稱為 MCU0。
MCU0 的架構
MCU0 是一顆 16 位元的 CPU，所有暫存器都是 16 位元的，總共有 (IR, SW, PC, A) 等四個暫存器，如下所示：
| 暫存器名稱 | 功能 | 說明 |
|---|---|---|
| IR | 指令暫存器 | 用來儲存從記憶體載入的機器碼指令 |
| PC | 程式計數器 | 用來儲存指令的位址 (也就是目前執行到哪個指令的記憶體位址) |
| SW | 狀態暫存器 | 用來儲存 CMP 比較指令的結果旗標，像是負旗標 N 與零旗標 Z 等。作為條件跳躍 JEQ 等指令是否跳躍的判斷依據。 |
| A | 累積器 | 用來儲存計算的結果，像是加減法的結果。 |
為了讓程式極度簡化，在本文中我們只實作測試程式所用到的「必要指令」，總共有 6 個，如下所示：
| 代碼 | 名稱 | 格式 | 說明 | 語意 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | LD | LD C | 載入 | A = [C] |
| 1 | ADD | ADD C | 加法 | A = A + [C] |
| 2 | JMP | JMP C | 跳躍 | PC = C |
| 3 | ST | ST C | 儲存 | [C] = A |
| 4 | CMP | CMP C | 比較 | SW = A CMP [C] |
| 5 | JEQ | JEQ C | 相等時跳躍 | if SW[30]=Z=1 then PC = C |
組合語言與機器碼
以下是一個 MCU0 處理器的組合語言範例程式，該程式可以計算從 SUM=1+2+...+N 的結果。 其中第一欄是指令或資料的機器碼，註解符號 // 之後則是位址與組合語言。
檔案： cpu16m.hex
00 16 // 00 LOOP: LD I
40 1A // 02 CMP N
50 12 // 04 JEQ EXIT
10 18 // 06 ADD K1
30 16 // 08 ST I
00 14 // 0A LD SUM
10 16 // 0C ADD I
30 14 // 0E ST SUM
20 00 // 10 JMP LOOP
20 12 // 12 EXIT: JMP EXIT
00 00 // 14 SUM: WORD 0
00 00 // 16 I: WORD 0
00 01 // 18 K1: WORD 1
00 0A // 1A N: WORD 10 MCU0 的指令格式很簡單，當指令被載入指令暫存器 IR 後，前四個位元 IR[15:12] 是指令代碼 (OP)，而 後 12 個位元 IR[11:0] 則是一個常數 C，該常數通常代表記憶體位址。(由於採用絕對定址，所以 MCU0 的 記憶體最大只能達 2 的 12 次方，也就是從 0 到 4095。
由於指令格式只有一種，分為 4 位元的 OP 代碼與 12 位元的 C 常數，因此編碼非常容易，例如 LD I 這個指令， 由於 LD 的代碼為 0，而 I 的位址為 0x16，所以整個指令編碼為 0016。而對於 CMP N 這個指令而言，由於 CMP 的代碼為 4，變數 N 的位址為 0x1A，所以整個指令編碼為 401A。
Verilog 程式實作
於是、整個 mcu0m 處理器只有短短的 51 行 Verilog 程式就實作完了，以下是全部的程式碼列表。
檔案： mcu0m.v
`define N SW[15] // 負號旗標
`define Z SW[14] // 零旗標
`define OP IR[15:12] // 運算碼
`define C IR[11:0] // 常數欄位
`define M {m[`C], m[`C+1]}
module cpu(input clock); // CPU0-Mini 的快取版：cpu0mc 模組
parameter [3:0] LD=4'h0,ADD=4'h1,JMP=4'h2,ST=4'h3,CMP=4'h4,JEQ=4'h5;
reg signed [15:0] A; // 宣告暫存器 R[0..15] 等 16 個 32 位元暫存器
reg [15:0] IR; // 指令暫存器 IR
reg [15:0] SW; // 指令暫存器 IR
reg [15:0] PC; // 程式計數器
reg [15:0] pc0;
reg [7:0] m [0:32]; // 內部的快取記憶體
integer i;
initial // 初始化
begin
PC = 0; // 將 PC 設為起動位址 0
SW = 0;
$readmemh("mcu0m.hex", m);
for (i=0; i < 32; i=i+2) begin
$display("%8x: %8x", i, {m[i], m[i+1]});
end
end
always @(posedge clock) begin // 在 clock 時脈的正邊緣時觸發
IR = {m[PC], m[PC+1]}; // 指令擷取階段：IR=m[PC], 2 個 Byte 的記憶體
pc0= PC; // 儲存舊的 PC 值在 pc0 中。
PC = PC+2; // 擷取完成，PC 前進到下一個指令位址
case (`OP) // 解碼、根據 OP 執行動作
LD: A = `M; // LD C
ST: `M = A; // ST C
CMP: begin `N=(A < `M); `Z=(A==`M); end // CMP C
ADD: A = A + `M; // ADD C
JMP: PC = `C; // JMP C
JEQ: if (`Z) PC=`C; // JEQ C
endcase
// 印出 PC, IR, SW, A 等暫存器值以供觀察
$display("%4dns PC=%x IR=%x, SW=%x, A=%d", $stime, pc0, IR, SW, A);
end
endmodule
module main; // 測試程式開始
reg clock; // 時脈 clock 變數
cpu cpux(clock); // 宣告 cpu0mc 處理器
initial clock = 0; // 一開始 clock 設定為 0
always #10 clock=~clock; // 每隔 10ns 反相，時脈週期為 20ns
initial #2000 $finish; // 在 2000 奈秒的時候停止測試。
endmodule執行結果
上述程式以 mcu0m.hex 這個 16 進位的機器碼檔作為輸入，其編譯執行結果如下：
C:\Dropbox\Public\web\oc\code\mcu>iverilog -o mcu0m mcu0m.v
C:\Dropbox\Public\web\oc\code\mcu>vvp mcu0m
WARNING: mcu0m.v:20: $readmemh(mcu0m.hex): Not enough words in the file for the
requested range [0:32].
00000000: 0016
00000002: 401a
00000004: 5012
00000006: 1018
00000008: 3016
0000000a: 0014
0000000c: 1016
0000000e: 3014
00000010: 2000
00000012: 2012
00000014: 0000
00000016: 0000
00000018: 0001
0000001a: 000a
0000001c: xxxx
0000001e: xxxx
10ns PC=0000 IR=0016, SW=0000, A= 0
30ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 0
50ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 0
70ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 1
90ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 1
110ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 0
130ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 1
150ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 1
170ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 1
190ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 1
210ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 1
230ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 1
250ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 2
270ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 2
290ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 1
310ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 3
330ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 3
350ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 3
370ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 2
390ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 2
410ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 2
430ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 3
450ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 3
470ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 3
490ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 6
510ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 6
530ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 6
550ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 3
570ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 3
590ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 3
610ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 4
630ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 4
650ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 6
670ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 10
690ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 10
710ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 10
730ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 4
750ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 4
770ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 4
790ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 5
810ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 5
830ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 10
850ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 15
870ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 15
890ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 15
910ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 5
930ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 5
950ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 5
970ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 6
990ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 6
1010ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 15
1030ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 21
1050ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 21
1070ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 21
1090ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 6
1110ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 6
1130ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 6
1150ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 7
1170ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 7
1190ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 21
1210ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 28
1230ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 28
1250ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 28
1270ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 7
1290ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 7
1310ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 7
1330ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 8
1350ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 8
1370ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 28
1390ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 36
1410ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 36
1430ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 36
1450ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 8
1470ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 8
1490ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 8
1510ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 9
1530ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 9
1550ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 36
1570ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 45
1590ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 45
1610ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 45
1630ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 9
1650ns PC=0002 IR=401a, SW=8000, A= 9
1670ns PC=0004 IR=5012, SW=8000, A= 9
1690ns PC=0006 IR=1018, SW=8000, A= 10
1710ns PC=0008 IR=3016, SW=8000, A= 10
1730ns PC=000a IR=0014, SW=8000, A= 45
1750ns PC=000c IR=1016, SW=8000, A= 55
1770ns PC=000e IR=3014, SW=8000, A= 55
1790ns PC=0010 IR=2000, SW=8000, A= 55
1810ns PC=0000 IR=0016, SW=8000, A= 10
1830ns PC=0002 IR=401a, SW=4000, A= 10
1850ns PC=0004 IR=5012, SW=4000, A= 10
1870ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1890ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1910ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1930ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1950ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1970ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10
1990ns PC=0012 IR=2012, SW=4000, A= 10您可以看到在 1750ns 的時候，程式執行到 PC=000C 這行，也就是下列的 ADD I，計算出了 1+2+...+10 的結果， 也就是 55，然後 ST SUM 將 55 存入 SUM 中，接著 JMP LOOP 跳回 PC=0000 的 LOOP: LD I 繼續執行，然後 CMP N 指令將載入到 A 暫存器的 I 值 (10) 與 N 的值 (10) 作比較，於是在 JEQ 指令時由於兩者已經相等，於是就跳到 EXIT 標記的 0012 去執行。
但是位於 EXIT 的指令是 JMP EXIT，也就是一個無窮迴圈程式，因此程式會不斷在 0012 這個位址重複執行，直到 2000ns 的時候被 $finish 強制結束。
00 16 // 00 LOOP: LD I
40 1A // 02 CMP N
50 12 // 04 JEQ EXIT
10 18 // 06 ADD K1
30 16 // 08 ST I
00 14 // 0A LD SUM
10 16 // 0C ADD I
30 14 // 0E ST SUM
20 00 // 10 JMP LOOP
20 12 // 12 EXIT: JMP EXIT
00 00 // 14 SUM: WORD 0
00 00 // 16 I: WORD 0
00 01 // 18 K1: WORD 1
00 0A // 1A N: WORD 10 結語
雖然在前兩期當中，我們已經設計了一顆完整的 32 位元處理器 CPU0，但是該處理器的指令格式有三種， 即使設計已經相當簡單，但是筆者發現還是有些讀者無法理解，因此在本期當中我們又設計了一顆更簡單的 16 位元處理器 MCU0，並且實作了其中 6 個指令，完成了一個可以進行 SUM=1+2+...+N 的程式，希望透過 這樣的簡化，可以讓讀者們更容易理解一顆 CPU 的設計原理。
在本學期筆者教授計算機結構課程的過程當中，我發現透過 16 位元 MCU0 的對照，可以更容易的讓學生瞭解 處理器的設計方式，因為若只教 32 位元處理器 CPU0 的設計，學生很難理解還有甚麼樣的方式可以設計 「另一種指令集與 CPU」，但是加入了 MCU0 之後，由於有 「16 位元 vs. 32 位元」、「單一指令格式 vs. 多種指令格式」 與「單一累積暫存器 vs. 16 個通用暫存器」的區別，學生們會更容易瞭解不同設計背後的優缺點，也才能有 足夠的背景知識可以完成他們的期末作業 -- 「自己設計一顆處理器的指令集、Verilog 程式，並用 Icarus 進行測試」 的任務。