CPU又名中央處理器，作為計算機系統的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執行單元。Logisim是一款邏輯電路設計仿真軟件，我們可以在這個軟件上面繪制各種邏輯電路，當然也包括CPU。

電腦中有intel、AMD、Apple的CPU，手機中也有華為、高通、Apple的SOC，每次我研究這些他們設計的硬件時，總是覺得研究得不能很深入，往往只是看看官網參數和一些評測數據罷了。但是有些時候，總是有那么些不合常理的存在讓我對CPU的認知一次又一次地被刷新。半年前是AMD（他們的筆記本CPU性能竟然直逼臺式機），幾個月前是Apple（他們的15W的M1芯片竟然砍倒一片幾十W乃至幾百W的臺式機CPU，核顯更是劍指獨顯）。這使我很煩躁，因為只是在外頭看個熱鬧，很多原因我不能探明。所以就有了以下的一切。

這是第一章節《單周期CPU》

下面直接上圖：

這便是該CPU全貌了

左上的部分是取指單元，其作用是從指令內存中取出指令。右上是譯碼單元，其作用是把指令所需操作翻譯成電路的控制信號。右下是計算單元，通過調整對應的控制信號可以進行兩數四則運算，并且可以訪問數據內存，讀取或者寫入對應的數據。圖中有深綠、亮綠和黑色的線，深綠色意味著這條線的電壓是0V，亮綠色則為1V，黑色是因為每根黑色線都由若干根深綠或亮綠線組成，所以統一顯示成黑色。

這個CPU采用自己瞎編指令集（ISA），屬于精簡指令集。與復雜指令集的區別在于它精簡……之所以沒有使用別人的指令集是因為我還在學習，下一次更新會采用RISC-V的開源指令集。有人可能會覺得難道自己造指令集不好嗎？好又不好。這個問題我先挖個坑放著，有空我再講。

字長為16位寬，意味著每次可以做16位的二進制運算，也就是最大2的16次方（65536）的運算，可以尋65536的內存地址。目前主流在32位和64位，只有少數單片機還在用16位，下次更新會更到32位。可能有人會有疑惑，如果我要計算的數字是天文數字呢？你就是64位也不夠怎么辦？首先，我們可以多做幾次運算，這個可以通過專門的計算器程序來實現。（求積分的軟件都有這個不算什么），其次可以使用浮點運算。但是我這個CPU沒有浮點運算單元。（滑稽臉）這個挖個坑以后講。

單周期（single cycle），每個時鐘周期只能做一次運算。難道還能做好多次嗎？能的，那就是流水線或者超標量技術甚至多核心。級數越高的流水線每個時鐘周期可以做越多次的運算。五級流水線是最經典的流水線級數，當下主流的CPU的流水線級數都在8-15之間，也有20多的超流水線。但是流水線不是越深越好，凡事都有個度。再挖個坑，以后講。

僅具備簡單加減乘除的運算功能，當然也可以寫個開方或者冪程序來支持高級運算。目前大多數的復雜運算也都是基于程序來實現的，直接固化在硬件電路中的也比較少見。據我所知，intel有把開平方寫在指令集和硬件電路中，這樣的好處是可以更快地求得結果，減少中途程序的調度過程。下一次更新會增加好多個運算電路，同時砍掉乘除，因為RISC-V中的RC32I不支持乘除指令，所以下次先砍掉。

該CPU一共有4個寄存器，沒有緩存。相比之下，目前的CPU有幾十到幾百個寄存器，以及數kb的緩存。這個也會在下次更新補足到32個的。

這個CPU的解碼部分也很有趣。我參考了x86的微指令設計。什么意思呢，就是正常的解碼電路都是靠硬件邏輯解碼硬解出來的，我這個不一樣，是像查字典一樣查出來的。這個字典就是圖右上部分的ROM。這樣的好處是不用設計電路了，實際電路生產中，如果電路設計有問題就得從頭再來，再設計再生產。但是如果是我這種設計方式，改改ROM里的數值就行了，無法是給個軟件升級。壞處也有，就是ROM實現方式占地太大，并且速度慢，功耗高。不過如果是在FPGA中大家都一樣。FPGA我就再挖個坑吧。

對了，這個CPU有個bug，就是立即數（直接在程序中給明的數）不能直接參與運算，本來實現之初是有考慮到的，這個改也不難，但是現在忙著設計第二代，算了，留點遺憾才是完美。


審核編輯：劉清