今天我开始填坑，带大家走进初始部分的最后一个部分：CPU。
作者：Trustintruth
来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/97019599
网上有许多教程写CPU的，但是我也是纠结了许久要不要做这一期CPU。最后还是决定做CPU，毕竟CPU是一个又装逼又不像图像处理要过多的数学公式推导的、工程量不小的工程。
好了下面我们不在说废话了，开始CPU！！（还是说句废话，CPU在我的理解中还是很考验逻辑的......哪里写的不太明白私信我，我一定修改！）
首先，CPU是啥？
CPU是计算机中进行各种运算和数据处理的装置。在内存中存储着由CPU可以执行的指令集所构成的程序，CPU首先读取（Fetch）内存中的指令，，然后对其要处理的操作进行译码（Decode），最后进行执行。
接下来我们首先来看这三步的具体操作：
取指：CPU会把将将要执行的指令从内存中读取出来。而完成这个任务的就是程序计数器（PC，Program Counter），他存着即将执行的指令的地址。指令的读取就是从PC的值输出至内存，在由内存返回地址中的指令（根据地址读取指令）。
解码：读取出来的指令根据指令集翻译成CPU各个模块能够理解的信号，指令中包括很多种，包括进行哪种运算、控制下一条的指令等，可以用来存数地址或者运算结果的寄存器称为通用寄存器（General Purpose Register）
执行：解码出来的信号控制着CPU要进行的操作，进行对应处理。
CPU的主要模块包括程序计数器，指令寄存器，指令解码器，寄存器堆，运算器
指令存储器和数据存储器分别用来存储所有的指令和数据。指令解码器用来解码当前要执行的指令，PC则用来存放当前要执行的指令的地址，通用寄存器堆里存放了若干个寄存器，运算器。由于操作有可能是进行运算，也有可能是从内存中读数取数，所以最后选择是存储计算出得数还是内存读出的数。根据上面我们说的操作，大体上我们可以画出这样的一附草图。
在上面讲述的时候估计很多小伙伴要问了：我们如何解码？解码当然就是按照指令的格式来将指令拆分，就像中国古语“庖丁解牛”所讲的。要想做“疱族后人”，后先来介绍指令集：
计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效的工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两部分
相比而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。使用RISC指令集的体系结构主要有ARM、MIPS。
而我们使用的为RISC 架构MIPS指令集，MIPS有三种指令格式：
不同格式的指令具有不同的功能，其中：
- R格式指令为纯寄存器指令，所有的操作数（除移位外）均保存在寄存器中。Op字段均为0，使用funct字段区分指令
- I格式指令为带立即数的指令，最多使用两个寄存器，同时包括了load/store指令。使用Op字段区分指令
- J格式指令为长跳转指令，仅有一个立即数操作数。使用Op字段区分指令
也有的是这样解释的：
CPU自制入门配图
根据这样的指令分类，我们可以设计我们自己指令了，但是一定要按照指令集的格式要求，而且CPU内部的模块也要配合指令集来进行设计，所以在做自己的CPU第一步就是要设计好指令集。（此处为根据CPU自制入门设计时使用的指令集，未按指令种类分类，最后附一份另一版MIPS较全的指令集）
逻辑运算指令就是对寄存器中的数，或者是立即数（指令中包括的数）进行运算，再将结果存入寄存器中。含有立即数的指令需要将16位的立即数扩充到32位，通常分为高16位全扩充及符号位扩充两种。
算数运算指令也是将寄存器中的数或者立即数进行算术运算，存储至寄存器中。在运算中（加法和减法）分为有符号和无符号两种，，他们的区别在于是否检测溢出（由于存在符号位，所以溢出标志不同）
移位指令即为移位
分支指令是一个非常重要的指令，他会改变程序流程。首先分支指令会进行判断，若判断成立（分支成立），那么下一条指令就会发生改变。目标地址由PC与符号扩充后的立即数相加得到。而JMP指令用来强制跳转到寄存器指定的地址，CALL指令用来调用寄存器指定地址出的子程序。他们两个都是无条件跳转语句，但是CALL指令会存储两条之后的指令地址，即存放“CALL指令地址+8”，他的下一条指令会被当做延迟间隙执行。如
内存访问指令用来从内存中读取或写入数据
写入地址由寄存器与符号扩充的立即数相加得到。，执行内存访问指令时要对地址进行对其检测。
这里我们提出一个概念，叫做数据通路，数字系统中，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。
草图中已经大致讲述了我们的主要部件，而数据的流向我们也摸了差不多，**最重要是，根据指令集你的指令输入后，如何拆解指令CPU已经知道了。但是拆解之后各部分分别代表着不同的意义（比如寄存器地址、立即数、进行操作的类型），将这些信息（信号）交给对应的模块（部分），寄存器地址交给寄存器读取里面的数据，立即数送给扩展部分等等，这才是整个系统设计的第一个难点，数据是如何在你的CPU中流动的。**下一个目标就是如何得到一幅数据通路：
下一节我们详细的将这张图的由来，并设计其中的各个模块。
本来想控制篇幅，但是东西太多了。下次争取更加精简！
附：
http://www.cirmall.com/bbs/thread-161594-1-1.html
可以从这里下载数据通路和指令集，也欢迎大家多多在这个论坛发表见解啊
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