微处理器设计/设计步骤

微处理器设计

在设计新的微处理器或微控制器单元时，可以遵循一些通用的步骤，使流程更具逻辑性。这些步骤可以进一步细分为更小的任务，以便更轻松地处理。设计新微处理器的通用步骤如下

确定新处理器应该具备的功能。
规划数据通路以处理必要的功能。
定义机器码指令格式（ISA）。
构建控制数据通路的必要逻辑。

我们将在下面讨论这些步骤中的每一个。

确定机器功能

在你开始设计新的处理器单元之前，重要的是首先问问自己为什么要设计它。你的处理器将实现哪些现有处理器无法实现的新功能？请记住，使用现有芯片总是比设计和制造新芯片更便宜。

一些开始的问题

这个芯片是嵌入式芯片、通用芯片还是完全不同的类型？
在资源、价格、功耗或速度方面是否存在任何限制？

考虑到这一点，我们需要问问我们的芯片将做什么

它是否具有整数、浮点或定点算术，或者三者的组合？
它是否具有标量或向量运算能力？
它是否自包含，还是必须与许多外部外设接口？
它是否支持中断？如果是，中断延迟是多少？中断响应抖动是多少？

我们还需要问问自己，机器是否支持广泛的指令，或者它是否只有有限的指令集。更多的指令会使设计更困难，但会使编程和使用芯片更容易。另一方面，使用更少的指令更容易设计，但可能更难且更昂贵地进行编程。

规划你的芯片应具有的基本算术运算

加法/减法
乘法
除法
移位和旋转
逻辑运算：AND、OR、XOR、NOR、NOT等。

列出你的机器的其他功能

无条件跳转
条件跳转（以及什么条件？）
堆栈操作（压栈、出栈）

一旦我们知道我们的芯片应该做什么，就更容易规划我们数据通路的框架。

设计数据通路

我们首先需要确定我们的处理器将使用哪种ALU架构

累加器
堆栈
寄存器
以上三者的组合

此决定比任何其他决定都会对你的最终设计产生最大的影响。在你做出此决定之前，不要继续设计流程。一旦你有了ALU架构，你就可以创建你的存储元素（堆栈或寄存器文件），然后可以规划你的ALU。

创建ISA

一旦我们有了基本的数据通路，我们就可以开始设计我们的ISA。我们需要考虑一些事情

这个处理器是RISC、CISC还是VLIW？
机器字长是多少？
如何处理立即数？哪些指令可以接受立即数？

一旦我们有了机器码的基础，我们经常需要确定我们的处理器是否与高级语言兼容。具体来说，是否存在任何可用于函数调用和返回的指令？

确定RISC中指令字长的长度是一个非常重要的问题，值得认真思考。为了获得额外的灵活性，你可以使用可变长度指令集（就像大多数CISC机器一样），但这会以增加（并且更复杂）的指令解码逻辑为代价。如果指令字太长，程序员将无法在内存中放入太多指令。如果指令字太小，将没有足够的空间容纳所有必要的信息。在具有数兆字节甚至千兆字节RAM的台式PC上，较大的指令字不是什么大问题。然而，在具有有限程序ROM的嵌入式系统中，指令字的长度会直接影响潜在程序的大小和芯片的实用性。

每个指令都应该有一个关联的操作码，并且通常所有指令的操作码字段的长度都应该是恒定的，以减少解码器的复杂性。操作码字段的长度会直接影响可以实现的独特指令的数量。如果操作码字段太小，你将没有足够的空间来指定所有指令。如果操作码太大，你将在指令字中浪费宝贵的位。

有些指令需要比其他指令更大。例如，处理立即数、内存位置或跳转地址的指令通常比只处理寄存器的指令更大。因此，只处理寄存器的指令将有额外的空间可用作操作码字段的扩展。

示例：MIPS R型

在MIPS架构中，只处理寄存器的指令称为R型指令。对于32个寄存器，寄存器地址只有5位宽。MIPS操作码为6位宽。对于操作码和三个寄存器地址（两个源寄存器和一个目标寄存器），R型指令仅使用32个可用位中的21个。

剩下的11位被分成两个额外的字段：Shamt，一个5位立即数，控制移位或旋转指令的移位位置数量；以及Func。Func是一个6位字段，包含有关R型指令的附加信息。由于Func字段的存在，所有R型指令的操作码都为0。

指令集设计

选择特定的指令集通常更像是一门艺术而不是一门科学。

从历史上看，对什么是“好的”指令集有不同的看法。

早期的CISC时代专注于创建让经验丰富的汇编语言程序员喜欢编程的指令集——“代码密度”是一个常见的指标。
早期的RISC时代专注于创建运行几个C语言基准测试程序的指令集，这些程序使用相对原始的编译器进行编译，速度非常快——“每条指令的周期数”，后来“每周期指令数”被认为是实现低“运行基准测试的时间”的重要组成部分。