【图文】数字电路第4章(5加法器)_2_百度文库
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数字电路第4章(5加法器)_2
&&数字逻辑,数字电路
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你可能喜欢一个大神的工程（复旦 季同学）16bit RISC cpu
日更新，更新内容为超越函数计算器和CPU指令实现部分
断断续续终于做好了视频和介绍，就用日志一起发出来了。工程还未完工，视频展示计算器功能，电子表和字符显示器时序控制。
日更新更新内容为超越函数计算器和CPU指令实现部分
断断续续终于做好了视频和介绍就用日志一起发出来了。工程还未完工视频展示计算器功能电子表和字符显示器时序控制。
视频建议看的时候点右下角设置选超清+全屏观看选标清既不清楚有时候还会卡高清也看不清细节就算是超清也比我上传的原视频缩了。优酷60秒的广告还要缩画质满地节操真心抱歉。。。
本工程基于一个叫Minecraft的游戏我使用的版本是1.4.7。之所以使用一个游戏作为平台是因为这个游戏可以做到实时运行超大规模集成电路模型大于10000个逻辑门并且提供壮观的可视化效果三维数字电路。
半年前我刚接触这个游戏的时候想做一个简单的计算器。国外玩家两年前已经有人做到了基于整数ALU和直连总线的机器。我开始规划做一个16bit的计算器输入输出线路一样是直连的也就是说这个计算器完全是专用的芯片连单片机的等级都不到。后来我发现这个游戏可以实现更加复杂的东西。原因很简单游戏只提供了“或”“非”逻辑电路但理论上“或”“非”门可以表达一切逻辑。同时游戏提供的基于活塞机械的断路继电器的延时时序特性以及继电器的锁存特性会让很多高级触发器成为可能。换句话说FPGA能实现的东西这个游戏基本都能实现区别在于这个游戏提供的是一个纯粹数学模型化的信号系统元器件是简化的模型而不是现实中根据半导体材料设计的具有一定特性的电子元件在线路连接的拓扑结构上也和现实中的电路不同。
在造计算器到一半的时候我打算改单片机也就是具有“图灵完备性”的简单计算机他可以执行一切计算机程序。我规划了指令集架构储存器架构和指令发射方式等。随着除法器可读写储存器缓冲队列等重要电路结构的设计成功我开始有了一个大胆的设想尝试实现一个具有流水线结构总线结构溢出中断堆栈标志位寄存器基本的分支预测和乱序执行等现代高级计算机技术的16bit RISC CPU以及一个附属的包含超越函数的单精度浮点处理器32bit FPU目前只规划作为计算器使用。
工程现在进展顺利只是因为工程量巨大进度较慢。我已经将16bit整数计算器改成了完全时序逻辑电路控制并且有溢出判断的计算器。这在全世界Minecraft红石电路玩家里应该是首次。这个计算器作为片外系统借用CPU的ALU部分进行运算并经过总线传输数据。目前CPU的ALU主储存器和寄存器等EU部分已经完工内部环状总线已经完工CU部分也就是最繁琐的部分正在建设中。而FPU部分已经完成了加法器乘法器三角函数运算单元开方运算单元。现在整个工程大约有10万门以上的电路。
目前不可逾越的困难是游戏的基准单位延时t是0.1秒加载地图最大范围是长宽1024m高256m的范围这就限制了计算机的运算速度以及造出来的硬件规模。特别是储存器我的片上程序储存器只有1kb这对于现实中的储存器容量而言太小了。所以想利用这有限的空间做一个汇编编译器简易的操作系统实在是太困难。
对于工程的介绍我分为6部分信号系统硬件单元和硬件算法储存器架构和流水线指令集架构总线和时钟图形显示原理。我尽量用非专业的语言来介绍不可避免会用一些术语。
本工程需要的专业知识基本就是微机原理数字电路少许编译原理和计算机图形学。
先贴一张CPU架构图
其中每一个方框都代表一个或若干个硬件单元小一点的大约一两百个门电路大的有几千个门电路。架构图基本是按照实际距离做的在工程上方俯视看到的结构和架构图可以一一对应。下面的俯视图对应架构图的右半部分Data Bus以及其围住的右下部分
PS目前决定把乱序执行模块取消。
构成超大规模信号系统的逻辑等级基本如下
基本信号元件→基本逻辑门→复杂逻辑门→简单功能结构组合电路时序电路触发器→复合功能结构→硬件功能单元→硬件功能模块→计算机
或门非门→与门异或门→全加器信号长度转换器多态选择器储存器单元译码器单元求补码单元移位器单元→可读写储存器译码器加法器移位器时钟发生器→加减法器乘法器除法器可读写储存器阵列寄存器程序计数器→总线ALUCU→计算机
先从逻辑底层开始介绍。这个游戏用于传输信号的原件称为“红石电路”是在游戏地下的矿藏里挖出来的红石矿物加上各种材料合成出来的东西。最主要的原件只有四个如下图
从左到右依次为1.继电器/二极管/锁存器/延时器同时兼有四个功能2.红石火把高电平信号源3.红石粉红石导线4.粘性活塞可推拉的开/通路元件
这些元件可以被放置在其他实体方块上方块是这个游戏所有东西占据的空间结构每一个物品占据一个正方体空间将一个方块空间占满的是实体方块像下面几个图中蓝色的紫色的都是实体方块。长度的计量单位游戏中每一个方块的边长是1米玩家身高大约1.7米。本工程占地大约600x600x200米
红石火把和继电器红石火把给邻近的同一高度的方格输出高电平信号红石粉和继电器都会被激活并传递信号如下左而继电器同时为二极管所以是单向导通的如下右。继电器亮了表示信号通过不亮的那个是因为方向反过来所以信号不通过。
信号不是无限传输下去的每传输15个方格就需要1个继电器延续信号如下左可以看到距离红石火把越远的红石导线亮度就越暗当超过15格还没有继电器的时候就会熄灭。同时每个继电用的电路元件会花0.1秒来反应并不是一瞬间就继电。游戏中0.1秒即为最小的时间单位这对应为数字电路里的一刻时间“1t”一切时序逻辑都是建立在0.1秒这个最小单位上的这也正好对应现实电路中电子传递速度导致的信号传递延迟。继电器有延时器的特性可以选择1234四种档位分别对应0.1秒0.2秒0.3秒0.4秒的延时反应时间也就是说默认的最小0.1秒反应时间可以延长到0.4秒。如右下靠左上的继电器档位在1靠右下的档位在4。这一特性可以用于用尽量少的器件累积长时间延时。比如5个4档继电器串联时信号输出就将延迟2秒。
另外一个重要的特性是只要信号输入时间够长继电器将累积一定的信号累积值和输入时间相等最大累积值和档位延迟时间相同。比如4档继电器输入端输入信号0.1秒则0.4秒后继电器输出信号长度为0.1秒当输入端输入0.3秒信号则0.4秒后继电器输出信号长度为0.3秒。当输入0.4秒信号及以上输入端关闭后继电器输出端将输出0.4秒信号。
像下图那样红石火把发出信号之后蓝色方块上每15格继电一次。第二个继电器到第一个橙色方块正好是第16格此时没再加继电器所以橙色两个方块上的红石导线熄灭了。每15格的传输线需要一个继电器所以一个单位传输线路最长距离是15格的线+1格的继电器=16格16格正好是二进制数游戏开发者选这个数肯定是为了方便编程。
红石粉不仅仅可以在同一个高度上传输不同高度的红石导线只要可以连在一起即可红石粉只能铺在方块表面不同方块表面的红石粉可以和前后左右高一格或低一格的方块表面的红石粉相连如左下。而当红石粉和继电器组成环路时一旦通了信号只要不切断环路环路信号就一直存在。如右下图中右边一个环路没有红石火把输出也可以保持高电平这同时表现了继电器的储存特性。而如果环路里没有继电器则不能保存信号。
而红石火把不仅可以放置在方块上面也可以放置在侧面如下左等效于侧面空气方块的位置被一个火把占据。输出的信号同样是相邻的方块表面。而继电器连接信号的方块表面与高度有关如下右左边一个继电器比红石导线低一格可以继电而右边一个继电器比红石导线高一格不能继电这和充能原理有关系下面再讲。
充能特性导电方块游戏提供的大部分方块都是除了玻璃等都会被周围的一些信号如红石导线和继电器充能。“充能”的意思是这个方块变成了一个信号源可以像一个红石火把一样工作即这个方块等效于同一个地方放了一个火把并且好处是这个方块上仍然可以铺上电路元件而且可以对其下方的方块输出信号。这是一个很重要的红石信号特性有了它可以使一些空间错位的信号传输变为可能。
非门特性这个游戏用于构建非门的方式是当一个方块被充能时其前后左右和上方的红石火把会灭掉变成低电平输出。
如下左靠近屏幕的上下两个方块上各有一个火把而下面的火把正对着上面的方块上面的方块被充能所以上面方块上的火把灭了。远离屏幕的三个方块最右边方块上面和侧面有三个火把左边低一格的方块表面有导线直连方块被充能所以三个火把全灭。右下图里方块被继电器充能上面的红石粉被激活下方方块表面的红石粉也被激活而侧面的火把被熄灭。
再来两个例子左下上面的紫色方块被充能侧面火把灭上方红石导线亮侧面活塞伸出。右下最左边紫色方块表面的红石导线将该紫色方块充能所以侧面火把灭。
最后两个例子下左图是一个不断变化的信号通路即火把通过一个半环路给自己的所在的方块充能但被充能的方块会让火把熄灭火把熄灭后红石导线上又没了信号方块不被充能这样火把又会亮所以左下的火把会不断地亮灭亮灭循环每0.1秒循环一次。游戏里如果不断有这种信号通路出现势必会给电脑运行造成很大负担所以游戏规定一个红石火把在1秒钟内在两个状态里循环8次即会永久熄灭只能通过玩家修改线路让其再次激活。右下利用充能原理说明继电器的不同高度继电效应。左边继电器低一格可以继电是因为邻近高一格的方块被充能向四周从输出信号。而右边继电器高一格不继电是因为虽然下方方块被充能但是继电器的一个重要特性是接受前后左右邻接的信号不接受其所在的下方方块的信号。
开路与粘性活塞粘性活塞是一种可以黏住方块的活塞游戏里还有普通活塞没有粘性将物品推出去就收不回来。而粘性活塞推出去可以拉回来推出去和拉回来正好对应了两种状态。下图左右均为被激活的活塞活塞的推拉可以朝向上下左右任意方向。
下左为活塞黏住方块将其推出。
下右为粘性活塞的开路特性。靠前的线路凹下去的那一个方块上的红石导线和两边方块表面的红石导线正常相连可以让信号通过。而后面的那个线路凹下去方块的红石导线与两边方块的红石导线被上方的方块阻隔。这时就构成了开路。而粘性活塞可以推拉方块就可以利用该特性让特定的线路选择通还是断。断路或者说开路的特性就意味着粘性活塞和普通线路可以构成三态门结构这种开路可以看做是现实中电路的高阻抗状态。
下左仍然是活塞开路特性只不过活塞从水平方向转移到竖直方向。左边活塞收回是通路右边活塞推出是开路。
下右是利用充能特性和活塞开路特性的结合电路。红色方块作为可推拉方块当其收回的时候前面的继电器和后面的红石导线没有连接所以是开路而当活塞将红色方块推出后继电器会给红色方块充能这时被充能的红色方块不仅会像后方的导线输出信号也会激活下方的活塞。即此时活塞就算不被其他信号激活也会被红色方块永久激活只要继电器信号不撤去无论活塞下方的输入端比如最下层的那个蓝色方块是什么信号都不会改变活塞推出的状态。这种特性的直接意义就是只要一个短信号激活活塞就会输出一个永久信号。
继电器锁存特性储存器原理继电器的最后一个特性是锁存器。如下左上下两个横着放的继电器通电右边两个继电器上就会加上一条黑色的横条这就表示右边两个继电器被锁住了他们将保持原来的信号一直不变不管输入端是高电平还是低电平。而当左边的两个继电器不通信号的时候右边两个继电器就不再锁存。锁存器的出现使得大规模储存器缩小体积变成了可能虽然仍很难在游戏可加载范围内放上足够多的储存器
利用这个特性我设计了一种可同时读写的储存器单元如下右是一个1byte的储存器。
其他类型的信号单元
下左方块上有一个按钮这个按钮的功能是输出一个1秒10t的信号按一下会给其所在的方块充能1秒。这一特性可以用于操作者对机器的操控。下右为拉杆拉杆可以置于两种状态打开的状态会输出永久信号关闭的状态不输出信号。
视觉信号与显示器
游戏本身没有显示屏这种东西但是玩家可以通过各种方式实现视觉上的信息传递。
第一种是红石灯。如下左红石灯被充能时会亮不充能时不亮这两种状态即可组成图形和计算机的bitmap一致。
第二种是阴影成像。即游戏中白天光照条件下浅颜色的方块凹陷处的阴影会和周围的方块形成反差也构成了两态信号的图像。如下右的七段显示器。
而实现方块凹陷的方式就是粘性活塞如下图活塞推拉分别对应填平和凹陷。
向上传输和BUD
向上传输是游戏提供的一种信号单向向上传输的方式可以用两种方块实现。如下左左边花纹方块是萤石本身有自然发光的作用同时可以用图中方式向上叠放。正常的方块这样叠放肯定会挡住信号所以正常方块向上向下传输必须螺旋盘叠这样会占据更大的空间于是游戏提供了单向向上传输节约空间。但是可惜游戏没有提供单向向下传输至少我使用的1.4.7版本没有提供可以看到如图中左边的萤石信号通路输入端在上方下方方块的红石导线没有亮而右边的萤石通路输入端在下方上方方块的红石导线亮了。另一种单向向上传输的方块是“半砖”即只占一般空间的砖头如下左图中右边灰色的砖块。因为只有一半高度所以这样盘叠不会挡住各自导线的连接。半砖同样只实现单向向上传输。
BUD是游戏中一类类似BUG的信号特性。但是又不能叫做BUG因为这些特性也可以看做是信号系统的组成部分。由于游戏编程中对于方块更新的检测机制存在一定局限性所以一些方块会被非正常激活。只举一个例子如下右图不断升高的信号线路绿色方块活塞推出是正常被充能的情况红色方块活塞抽回未被激活也是正常的。但是中间紫色方块活塞没有邻接任何被充能方块但是处于推出状态这种情况是反常的称之为BUD。出现这种情况很多时候会对设计造成困难有一次我调试线路出现了很奇怪的错误排查了半天才发现是BUD问题。有些时候也可以利用BUD的特性做成特定功能的线路。
实际上游戏中还是有BUG的有一次我排查了一个多小时竟然发现某个错误的原因是这样的两个相隔100多米毫无功能关联的继电器当一个置于2档的时候另一个会工作不正常。这属于游戏难免会有的BUG但是有时候一个小BUG会导致整个计算机瘫痪。
信号元件基本就全部介绍完毕了然后正式介绍数字电路的部分。
游戏提供的二态信号正好对应于二进制0和1也对应于数字电路里用高低电平表示的信号。所以二态信号系统无论其实现的载体和方式如何规律必定都是一样的。所以可以用相同的组合和算法构造更复杂的结构。
有了四种信号元件如何进一步做成逻辑门呢非门前面已经给出了即利用红石火把被充能方块熄灭的特性。
或门更简单“或”在逻辑上就是只要任意一个输入端不仅仅是一共2个输入端的情况输入信号输出端就一定输出信号。如下左两个橙色的方块为输入端只要有一个放上火把绿色的输出端就会输出信号。下右为简单的组合逻辑4个输入端组成的或门加上输出端的非门组成的或非门。这种电路一般用于“0判断”即输入端全为0输出就有信号只要有一个输入是1输出端的红石火把就会灭。
可以证明只用或门和非门就能实现一切逻辑游戏的设计者也只设计了这两种能直接实现的逻辑门这一点和现实的晶体管电路也很符合。通过在空间上对或门和非门的组合排布就能实现更加复杂的逻辑门。
与非门如下左紫色为输入端橙色为输出端可以看出输入端连着两个红石火把是两个非门火把中间通着导线是一个或门真值表我就不写了简单计算即可知这是一个与非门。常见的与非门应用也就是RS触发器了比如下右这个基本RS触发器低电平有效紫色输入橙色输出RSQQ非就随便怎么分配了此时图中输入端均有效输出端无效当输入端从01或10置为00高电平时会锁存。而当输入端同时从00变为11时游戏的方块刷新机制会默认选择其中一个输出端输出1另一个输出端输出0当然本身就不用考虑会使用这种情况。所以用与非门构造的RS触发器和现实中基本一致。
与门比与非门复杂一点只要在与非门基础上加个非门的红石火把就可以了。如下图下左为标准的与门两个红色的输入端紫色为输出端可以看出是3个非门和一个或门组成的逻辑电路。可能读者仍然不便理解我就将其转化为框图如下中图。简单的计算可得只有当两个输入端同时输入1时输出端为1和与逻辑相同。下右两个同样为与门只不过线路排布稍微变化即可变为空间构造不同的与门可以用于各种不同的布线情况。
活塞断路其实也是与逻辑。广义上的“与”可以看做同时满足各自条件的若干个输入端才能使输出端输出特定信号。比如下左上面的紫色输入端输入0下面的紫色输入端输入1才能使绿色输出端输出1而下右活塞原本挡住橙色线路当活塞被激活将蓝色方块推出时会使凹下的橙色方块线路与两边联通这时右边的紫色输入1左边的绿色才会输出1。即这是输入端必须全为1的标准与门。
之后的复杂信号结构的介绍我都尽量简略如果真要从头到尾讲清楚要写一本书。其中涉及到的专业知识太多了很难让所有读者都能理解见谅。关于数字电路和微机原理的各种基础知识介绍我都从略。
异或门是数字电路里非常重要的一类复杂逻辑门是构造全加器以及一切具有ALU运算器结构单元的基础。比较简单的异或门设计如下图左右两种除了红石导线外左边一种用到了活塞火把和继电器右边一种只用了火把。这两种都是国外玩家设计的是目前设计出来的体积最小的异或门。我一开始自己设计出的异或门比这两种体积大一点。而基础逻辑门的体积对计算机建设至关重要基础逻辑门稍微大一点整体结构就将超过地图加载范围。我的工程在设计上如果没有这些高手玩家在基础结构上的设计是不可能实现的因为用minecraft实现实时运算超大规模信号系统最重要的难题就是体积问题。
这两种异或门右边一种较好因为游戏中的火把可以在1秒钟内承受8次信号变化才会熄灭而活塞似乎承受不了这么多次的变化容易在快速的信号变化中出现差错。所以我的计算机中基本都是采用右边一种异或门。两个橙色方块是输入端紫色方块是输出端。
其他所有逻辑门都可以通过或非门的组合得到就不再详述。
简单功能结构
利用逻辑门的组合就可以设计适用于各种功能的信号结构。
全加器全加器可以看做是计算机最核心的部件之前的一个异或门相当于一个半加器两个半加器可以组合成一个全加器。由第一种异或门组成的全加器 如下左下右是4个相同的全加器级联。
但是这种基于活塞的全加器不稳定所以较为好的设计是如下图的基于第二种异或门设计的全加器。两个红色为输入端蓝色为进位端紫色为本位输出端。下右为两个不同颜色的全加器级联。
其他的组合电路时序电路和触发器就举几个例子。
前一部分已经介绍过RS触发器实际上并不常用。常用的是一些边沿触发的时序电路。下左图为活塞开路的两种最基本的应用两个同样的蓝色开路线路作为输入端的红石火把左边在下右边在上。左边的蓝色线路因为开路的节点凹下去的地方比开路输入端的节点更靠近火把而4档继电器的延迟为0.4秒活塞的延迟为0.1秒所以第0.5秒后活塞会伸出使线路开路这时输入端信号就传不到活塞了。而继电器里可以存下0.4秒的信号所以再过0.5秒活塞会收回线路又会通。然后就会这样循环的“开路-通路-开路-通路”下去每1秒是一个循环。实际的效果就是每1秒钟内可以输出一个0.5秒的信号。右边那条线路输入端通往活塞的节点在开路节点的前面所以不受开路影响只要输入端有持久信号就会在0.1秒后永久开路使得下方输出0.1秒的瞬间信号。必须等待输入端变为低电平活塞才会收回这等价于一个上沿信号。
下右图是一个T触发器左边紫色为输入端接一个上沿信号发生器输出0.2秒短信号右上绿色方块是输出端T触发器储存一个信号高电平短信号使触发器工作效果是使原有信号翻转并储存输出。
下左为短信号转1秒信号器实际上可以做出任意长度信号之间的转换比如0.1秒转4秒5秒转0.2秒等等。下右为3秒短信号轮换器即第0秒输出短信号到A端第3秒输出短信号到B端第6秒输出到A端……
下图为移位触发器也是很常用的一种结构可以做成单向或双向。
下左为时钟频率储存器即长度mt的信号在长度nt为一个周期的环路中n&m作循环传递。时钟频率储存器和信号发生器组合可以变成计算机的时钟信号发生器。下右为短信号阻断器名字值得吐槽我也不知道该取什么名字= =可以滤去0.6秒以下的短信号。
下左蓝色部分为4路选择触发器发射信号选择其中一路并储存该状态之后发射信号选择其他某一路会清除之前的选择并存进新的选择。下右黑色部分为总线信号清空单元可以周期性的阻断总线信号通路。
储存器见继电器锁存功能的介绍。锁存单元8的并列然后用同一根线控制锁存再用一根线控制存储信号的开闭就组成了一个1byte的储存器。大量储存器组成3D阵列。相邻奇偶编号储存器加上byte/word切换控制模块。最后再用统一的译码模块编码就成了完整地储存器。
复合功能结构
由简单功能结构可以进一步组成复合功能结构从而完整地实现某一功能。比如全加器级联变成加法器异或门和加法器串联然后级联再加上符号信号端变成求补器等等。
举几个例子。
下图为带溢出判断的补码加法器
下图为译码器
下图为另一种译码器
下图为显示器单元
下图为可读写储存器单元作为寄存器MAR。
硬件功能单元
复合功能单元能执行某一个完整的逻辑功能比如加法器使两个补码相加求补器使某个原码求补码。而硬件上加减法器的完整功能一般指从求补码到加减法到求原码返回寄存器或总线的完整过程。
举三个例子
下图为缓冲队列有两个功能信号端和一个16bit的输入接口和一个16bit的输出接口。
下图为乘法器溢出判断的一部分是译码器位数判断器加法器构成的。
再来两个体积较大的。
下图为16bit除法器可以输出商和余数。
下图为单精度浮点加法器符合IEEE754标准。这个家伙算是结构比较复杂的了四种基本元件用掉了34530个以逻辑门数量来估算也大概有5000个左右了。
硬件功能模块
功能单元足够多的时候就会形成模块。比如加减法器乘法器除法器移位器布尔逻辑单元等等组成ALU指令缓冲队列指令译码器指令发射端等等组成CU地址译码器储存器阵列寄存器等等组成完整的具有等级结构的储存器体系。功能单元的位置朝向等都会大大影响布线的困难程度和延时的长短这对整个计算机的运行效率有至关重要的影响。所以对功能模块的放置需要花很多时间计算排列布置。我花了很多时间不断修改调整。
举两例第一例最上面那张俯视图已经给出是ALU和总线的结构再给一例显示器模块的背面还在建设中如下图
当所有必要的硬件功能模块都竣工的时候就变成了完整的计算机。
硬件单元及硬件算法
硬件单元列表及特性
英文名缩写
Program Counter
程序计数器
9bit最大寻址512单元支持指令跳转自动加1
储存器地址寄存器
9bit最大寻址512单元
储存器数据寄存器
16bit支持储存器读写数据
General Register
通用寄存器
暂定为12个
Address Decoder
地址译码器
将地址码译成储存器行列信号并控制储存器读写
Pre-Decoder
第一级指令译码机制用于执行指令跳转和偏移
分支预测单元
为了减少流水线冒泡动态预测分支指令
Offset Address Unit
偏移地址单元
计算偏移地址输出至地址列队
Address Queue
接受跳转地址并输出至PC
程序计数器栈区
用于部分指令如Call,Return弹压地址
时钟发生器
CPU总时钟信号发生器
Instruction Buffer
指令缓冲队列
3单元共6byte支持指令按同一方向压入和弹出
Instruction Register
指令寄存器
接受指令缓冲队列弹出指令并送往指令译码器
Instruction Decoder
指令译码器
将指令译码并将时序控制信号输出至指令发射端
Issue Port
指令发射端
将信号分发至EU个单元的控制单元
Flag Register
标志位寄存器
暂时还未定共有多少标志位
4个寄存器共8byte支持弹压栈
储存X操作数以及部分ALU运算结果
Y Register
储存Y操作数
整数加减法器
支持16bit带符号整数加减法
Multiplier
整数乘法器
支持16bit带符号整数乘法
整数除法器
支持16bit带符号整数除法
Logic Unit
布尔逻辑单元
支持按位与或非异或逻辑运算
Overflow Trap
乘法器溢出中断
有两个部分共同执行溢出判断输出至计算器和F&I
Sequential Control
除法器时序控制器
时序电路控制除法器运算推进避免电脑压力过大
加一减一单元
ALU的一部分用于加一减一循环指令
Shift Unit
可执行算数或逻辑左右移位-15至15位
乱序执行单元
在执行除法时将非数据相关指令并发
折线状环形3D总线由总线清存单元控制
基本输入输出系统
计算机开机后首先控制显示器并输出信息的单元
浮点处理器
协处理器目前已完工部分ALU
Faults & Interrupts
异常中断响应
发生异常时接管CPU并执行保护指令的单元
Calculator CU
计算器控制器
完全时序控制交互式IO管理
Calculator Keyboard
计算器键盘
输入端和指令发射端
Input Register
输入寄存器
将操作数输入EU
Output Register
输出寄存器
将结果从EU输出
Keyboard Decoder
键盘译码器
接受计算器键盘信号并译码
Screen Control
显示器控制器
接受键盘译码器信号输出图像信息
BCD转BIN运算器
接受输入译码器的BCD码转化成BIN码输出
BIN转BCD运算器
接受EU的BIN码转化成BCD码输出至显示器
Instruction RAM
程序储存器
1kb按字读写
数据储存器
512byte按字或字节读写
上表共40个硬件单元是大部分CPU和计算器部分硬件单元的列表其中除了指令译码器指令发射端异常中断响应没有做完其他都竣工了。还有一些小的硬件单元就没写上去了。字符显示器模块零部件太多也没加上去留到最后一部分介绍。
算法对硬件设计是灵魂好的算法设计出来的硬件单元可能要比不好的设计节省10倍的运算时间10倍的空间10倍的建造精力。总之算法决定ALU的一切。
加减法就是常见的补码加法算法乘法就是级联串行乘法都没什么特别的。重点介绍后面几个。
BCD/BIN转换算法
输入端BCD转BIN算法这个自己想出来的:
想法很直接BCD十进制码转BIN二进制码按照常规的数学运算就是十进制每一位乘上10的各自位数-1次方。比如123=1x10^2+2x10^1+3。这个反映到二进制算法上就是将BCD每一位数的四个信号乘以10的n次方的二进制值n为该位数-1最后所有位再加起来。重要的是这种算法在硬件上实现很简易所以我也没找其他算法就直接用了。下图为BCD转BIN单元。
输出端BIN转BCD算法:
这个用的是通用的算法流程如下
某二进制数一直做左移操作每一次左移后从第一次移位进入的那个位向左每4个位切断成一组作为BCD数然后判断改组是否大于等于5如果大于等于5则该组+3处理小于5不用处理。所有组处理完后继续移位一直移到末尾进入第一次移位的那个位。文字介绍很别扭可以结合下面的图看。
借用MC论坛上的举例介绍
把UnitsTensHundreds和他们所处的那一列统称为1组另外Binary和它所在的那一列不算一组表格一行一行看。1组数据对应一个BCD字符2进制数有多少位就把它往左移多少位。左边的英文是操作shift是移位add是加。Units组的最右边一位就是上文指的“第一次移位进入的那个位”。
上图是以255为例下面再以123为例的流程如下
123的二进制数是
我们先将其左移1位得到
目前还在binary那列里所以继续移位
组里的数字小于5继续移
可以看到Units组里的数字已经大于5了所以把当前该组里的数据+3处理
得到10 0000
Units组里的数字等于5所以再加3
得到10 0000
得到00 0000
得到00 0000
这次是Tens里的数据大于5了所以+3处理
得到00 0000
因为在2进制数前面补了一个0所以变成了8位的数据现在还差最后一次的移位
最终设计出的硬件结构如下图是一个15bit的BIN转BCD转换器。
除法用的是恢复余数的加减交替算法流程举例如下
整个串行的除法器利用减法判断符号来决定上商和恢复余数。由于除法在硬件上的运算密度比较高串行除法器如果让它完全不受时序控制直接串行推进运算会让电脑负担太大的运算量导致卡顿。这个的主要原因是信号在时间上的重叠初始信号一开始就传送到了最后每一行的部分积余数一算完后面所有的信号都要全部改变一次会导致几千个红石火把每一秒经历若干次变化还好总数比8小不至于崩溃。所以我又设计了一个控制运算推进的时序电路最终卡顿的情况比原来好了许多。
设计出来的硬件单元前文已给出再贴两张细节。
下图右上灰色部分是最终恢复的余数输出端右下红绿相间的加法器是除数输入端被圈出来的蓝色方块从上到下一共15个是被除数输入端被圈出来的那个是最低位它下方偏右的那个是最高位。
下图是换了一侧看除法器图中绿色的一共15个是商输出端
浮点加减法算法
这个也是用的通用算法。
按照下面几个步骤来
浮点数由阶码和尾数构成可以看做是二进制的科学计数法。阶码就相当于科学计数法的那个幂次方数尾数就相当于有效数字的具体数值。比如0.11x2^3,其中0.11是尾数3是阶数。IEEE754标准的浮点数规格如下
这是WIKI上的表格要不要用偏正值其实无所谓只要知道单精度浮点数(single precision floating point)的位数是32bit,指数位数=8尾数位数为=23还有一位符号位。其中指数位数中有一位是指数的符号位即表示其范围为-127到127不算这个符号位就是指偏正值0-255其实含义是一样的。而单独的那个符号位是给整个浮点数用的。
设有两个浮点数x和y,它们分别为
其中Ex和Ey分别为数x和y的阶码,Mx和My为数x和y的尾数。
(1) 比较阶码大小并完成对阶
两浮点数进行加减,首先要看两数的阶码是否相同,即小数点位置是否对齐。若二数阶码相同,表示小数点是对齐的,就可以进行尾数的加减运算。反之,若二数阶码不同,表示小数点位置没有对齐,此时必须使二数阶码相同,这个过程叫作对阶。要对阶,首先应求出两数阶码E和Ey之差,即△E
ExEy。若△E0,表示两数阶码相等,即ExEy若△E&0,表示Ex&Ey若△E&0,表示Ex&Ey。当Ex≠Ey 时,要通过尾数的移动以改变Ex或Ey,使之相等。原则上,既可以通过Mx移位以改变Ex来达到ExEy,也可以通过My移位以改变Ey来实现ExEy。但是,由于浮点表示的数多是规格化的,尾数左移会引起最高有效位的丢失,造成很大误差。尾数右移虽引起最低有效位的丢失,但造成误差较小。因此,对阶操作规定使尾数右移,尾数右移后阶码作相应增加,其数值保持不变。显然,一个增加后的阶码与另一个阶码相等,增加的阶码的一定是小阶。因此在对阶时,总是使小阶向大阶看齐,即小阶的尾数向右移位(相当于小数点左移每右移一位,其阶码加1,直到两数的阶码相等为止,右移的位数等于阶差△E。
(2) 尾数求和运算
对阶结束后,即可进行尾数的求和运算。不论加法运算还是减法运算,都按加法进行操作,其方法与定点加减法运算完全一样。我这里就照搬常用加减法器。
(3) 结果规格化
在浮点加减运算时,尾数求和的结果也可以得到01.ф…ф或10.ф…ф,即两符号位不等,这在定点加减法运算中称为溢出,是不允许的。但在浮点运算中,它表明尾数求和结果的绝对值大于1,向左破坏了规格化。此时将运算结果右移以实现规格化表示,称为向右规格化。规则是尾数右移1位,阶码加1。当尾数不是1.M时需向左规格化。
(4) 舍入处理
在对阶或向右规格化时,尾数要向右移位,这样,被右移的尾数的低位部分会被丢掉,从而造成一定误差,因此要进行舍入处理。简单的舍入方法有两种一种是"0舍1入"法,即如果右移时被丢掉数位的最高位为0则舍去,为1则将尾数的末位加"1"。另一种是"恒置一"法,即只要数位被移掉,就在尾数的末尾恒置"1"。
在IEEE754标准中,舍入处理提供了四种可选方法
就近舍入 其实质就是通常所说的"四舍五入"这是默认的常用方法。例如,尾数超出规定的23位的多余位数字是10010,多余位的值超过规定的最低有效位值的一半,故最低有效位应增1。若多余的5位是01111,则简单的截尾即可。对多余的5位10000这种特殊情况若最低有效位现为0,则截尾若最低有效位现为1,则向上进一位使其变为 0。
朝0舍入 即朝数轴原点方向舍入,就是简单的截尾。无论尾数是正数还是负数,截尾都使取值的绝对值比原值的绝对值小。这种方法容易导致误差积累。
朝∞舍入 对正数来说,只要多余位不全为0则向最低有效位进1;对负数来说则是简单的截尾。
朝∞舍入 处理方法正好与 朝∞舍入情况相反。对正数来说,只要多余位不全为0则简单截尾;对负数来说,向最低有效位进1。
本浮点加减法器符合IEEE754单精度fp32浮点标准但由于体积问题没有使用舍入法所以精度有一定损失。整体硬件单元的外观上面已经有一个图给出了。我再贴两张图描述一下具体细节。
下图中间一大块都是对阶判断单元也就是再下一张图里右下角突出来的那一块。右上方紫色橙色相间的是结果规格化单元。
下图中呈对称状的三角形一共有三层都是移位单元用于对阶其后方也就是图中藏在移位模块下方红绿相间的是尾数求和加减法器。
正余弦算法
这个用的是经典的cordic迭代算法中的旋转坐标算法。公式推导如下
将平面坐标系中向量Xi , Yi旋转角度θ得到新向量Xj , Yj
参数意义如下图β是初始角θ是旋转角R是圆周半径
化为矩阵式
可以看出θ如果拆成许多个小θ即θ=θ1+θ2+θ3+…+θn那么作n次旋转即可得到结果。
为了方便二进制硬件运算现构造一个θ序列
矩阵各项除以θn
先不管cos θn构造θn=arctan(1/2^n)并且满足
Sn表示θ的正负也就是说构造出的这列θn前面要加正负号以反复偏大偏小的趋势逼近θ。每一步旋转的角度Zn满足如下条件
经过N次迭代后
这个K就是一坨cosθn的连乘定义为增益因子。
取无限次迭代值为
P为K的倒数。
Cordic算法有几种模式这里只取旋转模式。将上述矩阵化为数列得
然后就是套三角函数了取X0=KY0=0Z0=α那么N次迭代之后
正余弦就算出来了。没了。
用在硬件上的优势是该算法从矩阵去除cos因子之后就在尽力构造简易的二进制运算比如加减和移位。需要预先算好那个K的值精确到指定位数还要算arctan(1/2^n)这些都要放到储存器里。
其中细节不说了最后我设计出的玩意儿就下面这货。
硬件框图如下
注1.由于我懒得去用数学软件打公式以上数学公式的图片均截取自一篇来自桂林电子科技大学李全陈石平和付佃华的论文《基于CORDIC 算法的32 位浮点三角超越函数之正余弦函数的FPGA 实现》
2.我不打算让三角函数运算单元加入FPU结构了所以没做成IEEE754标准只给浮点计算器用。
特殊函数计算器除了三角函数外另一种运算是7位操作数开方运算输出4位开方结果和4位余数。
算法为笔算开方算法快速平方根算法流程如下
图片来自《基于FPGA快速平方根算法的实现》- 戢小亮嵌入式技术2007年14期
该算法在硬件上实现很简单只需要用到加法器和移位器即可所以在本工程中实现出来的体积不大。最终实现了一个23位开方根器如下图直角梯形部分。
特殊函数计算器的运行结果显示如下两图示例
三角函数运算输入4位定点有效数字的角度输出sin值和cos值运算+输出时间约为130秒输出sin值再过10秒输出cos值输入角限制为0-83.88度之间。开方运算输入7位有效数字可以选择小数点在第三位或整数形式输出结果为4位开方结果和4位余数运算+输出时间约为50秒输出开方值再过10秒输出余数。
储存器架构和流水线
因为还没有做完这一部分可能还会有修改所以就简要的介绍一下。
现代计算机都是围绕储存器为中心因为储存器容量极其巨大其占用的晶体管数量远远超过用于运算和指令分配的其他逻辑单元。
比如一颗GPU拿GK104为例一共30多亿晶体管片上缓存就占了芯片面积的接近三分之一。这还只是第一级的读取机制缓存分一二三级后面还有主储存器内存还有硬盘这些容量每一级都要比上一级大了大约两个数量级。容量大晶体管多电流流过的时间长最终读取到数据的时间必然变长。但是处理器时时刻刻都在做运算如果第一时间不能取到需要的指令和数据流水线就会空置。现代处理器运算速度和储存器延迟的鸿沟越来越大计算机核心技术基本都是围绕储存器开展的。为了填补这拉开的时间差所造成的瓶颈各种流水线结构总线结构硬件算法孕育而生。
流水线技术使得整个指令流程前后重叠能最大限度利用每一个硬件单元。早期CPU流水线级数较小现在的CPU一般都是十几级流水线。流水线级数也不是越大越好因为存在一些情况比如较晚的分支预测错误会导致流水线冒泡。
本工程使用Harvard结构相对于Neumann结构。程序储存器和数据储存器分开放置。程序储存器1kb数据储存器0.5kb。由于指令是统一的双字节所以程序储存器只按字双字节存取。而数据格式可以是单字节低8位也可以是双字节所以数据储存器可以按字或按字节存取。
寄存器方面ALU用ACC存放X操作数和运算结果这里的运算结果都是需要双操作数的那些逻辑运算指令比如加减乘除与或异或另一个操作数由Y寄存器存取。除法的余数最终会输出到最靠近除法器输出端的那4个寄存器的末端一个。所以如果之后要使用余数就要避免在转移余数之前使用该寄存器做其他事情。另外还有8个通用寄存器供自由使用一共可自由支配的寄存器有13个ACC+12个通用寄存器。再算上栈区的4个单元就一共有17个。
下图为简易的CPU功能模块立体位置图。
下图为程序储存器侧面图是立体8层叠加式结构每一层128byte。
储存器阵列是3D的也就是具有长宽高三个向量。为了给一个长方体的每一个单元编码我采用的是先用地址码的低4位给个面编码再用地址码的高5位给一条线编码一个面乘以一条线正好覆盖了整个长方体。
通往储存器的地址线是总线分出来的支线数据线也是一样的。这两列线分别连到储存器的3D结构里。地址线就连到刚才说的译码高5位和低4位数据线的16个bit每一根连到每一个储存单元的对应bit。数据线先分散后集中。
本工程因为体积和延时问题的特殊性主程序储存器只有1.5kb访存速度相对于真实的计算机快多了所以这个并不是瓶颈可以在相对较短的时间内取到想要的指令。所以本想借这个优势实现指令全流水也就是依靠复杂的分支预测机制将流水线漏洞封死。后来尝试做了一下发现问题还是很多比如预译码预跳转中PC的占用冲突和布线困难前一条跳转指令和后一条跳转指令的冲突如果想要做出来开销过于巨大基本上CU的体积要增加0.5倍这对我之后的工作影响很大故弃之改为二位动态分支预测器来执行分支预测这样流水线会冒气泡但是损失不大。为了最大限度的缩小流水线气泡我前后进行了相当多细微的改进。
流水线取指→预译码预执行→译码(→间指)→执行(→写回)
完整的流水线一条指令会经历如下过程当指令缓冲队列的指令条数小于4条时先加载已经处于载入端的下一地址的指令然后发出一个信号往PCPC将当前储存的地址传送至程序储存器MAR然后PC+1地址译码器将相应地址的指令A传送至程序储存器MDR的载入端如果是跳转指令等需要修改PC的指令则预执行指令。意思是将程序指针类指令全部放在另一个流水线分叉上执行。如果不是跳转指令则MDR将A指令压入指令缓冲队列。如果此时缓冲队列里有ABC三条指令按这个顺序排列那么等待C先弹出然后B弹出最后轮到A弹出至IRIR将A送往指令译码器控制信号通完各EU单元前端。等待前面的B指令执行完了
然后正式执行A指令。此时如果有间指周期则将数据地址输送至地址译码器从寄存器或数据储存器读取数据送到相应单元。然后执行指令。执行完毕如果有写回周期则执行写回。一条指令执行完毕。期间在指令缓冲队列和IR中如果前面有一条指令是条件跳转指令并且分支预测错误会使缓冲队列和IR清存。PC发射正确的地址重新取指。
流水线流程图如下
蓝线是控制信号绿线是数据信号红色字母和橙色箭头是指令队列的顺序压进方式。
另本工程的所谓内存实际上是硬盘因为我的程序是储存在这里面的关机的时候我不会把储存器清空。不过这个问题无关紧要。
指令集架构
指令格式和取指方式
ALU Instruction Formats
OP: Operation Code
AM: Addressing Mode
EA: Effective Address
RA: Register Addressing
X: Operation Data
REG: Register
OCID: Off-chip Device ID
Number: Length
REG src - 4
REG dest - 4
REG src - 4
REG dest - 4
, Addressing Modes
Immediate Addressing
Direct Addressing
Register Addressing
Register Indirect Addressing
暂定指令表下表暂时作废已经制定出新表与下表出入较大
由于CU还没做完指令机器码可能还有较大变动所以是暂定表这一部分也不多介绍。其中有一些指令是我特殊设计出来为了节约代码所以助记符不一定规范有些缩写就是在瞎编。
按字节取数据
按字节存数据
按字取数据
按字存数据
按字取指令
按字存指令
标志位X判断
无条件跳转
无条件偏移
累加器输入
累加器输出
寄存器赋值
部分指令说明此处说明与最新设计的版本出入较大
1. 数据传送指令MOV,PUSH,POP,RIA
MOV指令支持除了MAR,MDR,PC和栈区之外的寄存器之间的数据传送
PUSH和POP指令为压栈和弹栈原地址和目标地址均为寄存器当栈满时PUSH则无效原栈区数据不变以溢出中断处理
RIA指令可实现单字节的立即数写入寄存器设计该指令的目的是为了使寄存器赋初值等操作更灵活节约指令周期。
2. 数据读写指令LDB,SDB,LDW,SDW,LIB,SIB
LDB,SDB,LDW,SDW均为对数据储存器的读写操作读操作均由储存器传输至ACC写操作均由ACC至储存器
LIB,SIB均为对程序储存器的读写操作读操作均由储存器传输至ACC写操作均由ACC至储存器
这6种操作均支持4种寻址方式。
3.算术运算指令ADD,SUB,MUL,DIV,INC,DEC
ADD,SUB,MUL,DIV均为取操作数于Y寄存器然后与ACC进行算术运算结果存于ACC。当寻址方式为寄存器寻址时指令格式为
REG src - 4
REG dest - 4
即该格式指令支持目标寄存器结果由ACC存至目标寄存器
INC和DEC指令只支持寄存器直接寻址。
4.逻辑运算指令ASH,LSH,AND,ORL,XRL,NOTASH和LSH指令只支持寄存器内数据移位操作移位数值为立即数取值范围-15到+15
AND,OR,XOR指令和算术运算指令同格式
NOT,LSH指令为单操作数指令。
控制转移类指令参考流水线架构。
关于寻址位数。因为储存器很小我在16bit的双字节指令里正好塞下了5位的基本操作码2位的寻址方式和9位的储存器寻址。9位寻址对应512个程序储存器单元共1kb也正好对应了512个数据储存器单元512byte所有可用空间都填满了。所以不能再扩充内存也用不到像8086一样的造过于复杂的段式内存管理那样的MMU会给系统造成很大的延迟。
总线和时钟
把总线单拉出来讲是因为本工程CPU的延迟瓶颈在总线而不是储存器。储存器体积虽然大但是立体结构使得信号传输时间相对较短。由于本工程CPU的EU部分接口太多还都是16bit还要考虑ALU输入输出接口朝向的问题排了半天也很难将这些接口的距离缩短最终变成了一个折线形排布。此时就需要总线将所有接口贯通起来。而本工程总线的一个重要特点是环状的因为游戏用继电器实现信号传输具有二极管特性只能单向导通做成双向很麻烦所以总线如果实现从任意段输入任意段输出只能走环路。环路虽然增加了一倍的距离其延迟还在可以接受的范围内大约5.8秒每一个bit位的总线一共58个继电器800多米长。最大的难题是当总线在某一周期的任务完成后需要进行下一轮数据传输。但是因为环路的特性继电器的储存器效应会让环路保持原有的信号。此时必须加一个开路装置将原有的信号阻断。按照平常的思路在某一个环路节点加一排活塞将线路切断信号会在总线里拖尾5.8秒因为继电器会储存相同长度信号切断的节点其一边的信号会沿环路绕一大圈传输到另一边后才会最终消失。这样的话一个周期一共要耗费11.6-12秒这长度实在是难以接受。
在我本以为实在没办法解决这个延迟问题准备向其妥协的时候突然想到了一个解决方案总线清存也用时序逻辑控制。也就是说在总线上找若干个节点都放上一排开路活塞每一次传输完毕后所有活塞在同一时间切断线路那么这时需要考虑的延迟时间就是相隔最远的两个节点之间的距离差。比如最后的成品中相隔最远的两个节点是180米那么就是1.2秒的信号拖尾从原来的5.8秒节省到1.2秒总的单周期时间正好是7秒。只需要加一个总线控制电路让其和系统时钟同步就可以了。而且这样设计的另一个好处马上凸显在这1.2秒的清存时间里指令发射端正好可以做各种调整工作此时不需要使用总线打了一个时间差意味着各设备都充分利用到了时间间隙是一个让我很惊讶的非常巧合的设计感觉就好像有一种内在驱动力会让这一切看起来就应该是这样契合一样。
下图黑色方块部分为总线清存器第一部分已经提到过一次。图中蓝白相间的橙灰相间的以及深灰色的线路全是总线蓝白相间的是高八位橙灰相间的是低八位深灰色的是转角处的线路。颜色不同只是为了方便识别节点和高低位没有功能上的区别。黑色方块上有很多继电器都是时序控制电路用于周期性的向活塞输出开路信号。每7秒输出一个1.2秒的信号将一段一段的信号阻隔直到全部消失。
时钟暂定为总线周期7秒取指周期5秒。所有信号的源头都是CU的时钟信号发生器发出的。一般的指令都是1或2周期所以一般执行一条指令需要7或14秒乘除类的运算指令时间较长最长的除法指令需要6个周期。所以这个计算机的运算速度根本指望不上了一个极简单的程序就会运行几分钟。毕竟是在“计算机实时模拟计算机”所以速度什么的已经尽力做到最快了。
PS:在最新版的DATA BUS中我做了相当多的改进比如互联驻存机制每一个节点都可以储存信号使信号可以在同一周期内一直停留在环路内。
图形显示原理
说实话显示器是最难做的东西之一因为完全是时序逻辑在控制还要顾及到和使用者的交互。而且图形的东西对面积体积时间等问题要求极其严格现实中的显示器没必要考虑那么多因为这些都不是瓶颈。而图形处理器就更是天方夜谭了有很多玩家会说要是在Minecraft 里造一台计算机可以玩Minecraft就吊炸天。这显然不可能而且想做一个纯粹靠通用处理器运算来玩的小游戏都绝对不可能。比如贪吃蛇这种图像刷新率低的游戏肯定做不出来。
先简单介绍一下现实中的图形处理器以及显示器是如何工作的这对理解一些设计理念有很大帮助也能解释为啥MC里如此难以实现标准意义上的显卡。这一部分专业术语过多仅供做相关参考可以直接跳过看下面本工程的图形设备的设计。
现实中的图形显示是按照“图形流水线”(graphic pipeline)来完成的。一般我们玩的3D游戏中显卡是图像处理的设备。显卡的核心是GPUCPU将应用程序的图像请求发送往GPUGPU是图形处理器作为协处理器。操作系统将所有的设备统一编址并具有各自规范所以每一个操作系统要调用GPU必须要有相应GPU的软件驱动程序。现在的GPU较为独立CPU大部分时间不参与图形运算。GPU直接运行的是shader API驱动程序指导GPU运行shader APIGPU的硬件结构将API编译成一条一条instruction。现在常用的shader
API是OpenGL和Direct3D。由于图形运算是密集型并行运算所以GPU内部有成百上千的unified shader ALU组成若干模块如nVIDIA GPU中的SM或者AMD GPU中的CU 这些模块是程序员直接面对的对象包含FPULoad/Store Unit和SFU等等。还有TMUTessellatorrasterizer等等流水线上其他的功能单元我们叫这些东西为Fixed Function Unit。GPU的底层指令按照warp/wave的模式每一个指令周期都有成百上千条被发射这些指令相关性小一般都是顶点像素几何或纹理的shader指令。指令列队叫thread每一个thread都会对应一个像素或顶点若干shader
ALU组成的vector单元同一时间用不同数据执行不同thread中相同的指令因为front-end单元稀缺。 每一个周期有成百上千个thread的某些指令被处理完若干周期后所有thread都处理完这时候一张画面就被初步执行完了一般都是接近百万个像素点比如分辨率的显示器。之后图形流水线会将画面光栅化-rasterization经过各种纹理抗锯齿处理后完整的具有正确几何信息和颜色信息的画面就处理完了。然后该幅画面就被送往帧缓存-framebuffer这个是在显存中划出来的模块等到合适的时机该幅画面就传送往显示器输出一张画面称为一帧。每秒钟一个GPU绘制出几十张这样的画面人的肉眼就会看到流畅的画面。
GPU是典型的SIMD结构单指令多数据的大规模并行运算。并且其运算的数据多为浮点型。GPU耗费的晶体管数量会大于CPU需要造一大堆重复的ALU阵列和寄存器阵列。
下面贴三张GPU架构图都是AMD(ATI)和nVIDIA这两年的GPU产品。
可以很明显的看出GPU一般重复结构较多都是SIMD阵列加上少数dispatch和其他shading pipeline结构所以如果在minecraft中简化到极致比如每一个模块只造一个单元确实可以造出一个具有完整结构的显卡但是想要做一个可以持续输出流畅画面的GPU对于minecraft来说基本是不可能光是造一个浮点ALU就要占据几百乘以几百乘以几十的体积。假若一个屏幕按照30x30的像素来计算并且是bitmap只有亮暗两种色彩。就算是2D的图像程序一共900个像素再放宽条件要求每3秒才出一帧那么每一秒钟也要处理300个像素按照最简单的2D指令假若平均一个像素只需要3条指令就能得出其是亮还是暗那么就需要300个ALU每秒运算3次。到这里也不需要考虑其他什么图形流水线了光是ALU团簇已经这么多造出标准意义的显卡基本不可能。很多玩家认为在minecraft里面可以造出运行minecraft的计算机这种宏图大业是不可能完成了。就算是常用的显示程序比如操作系统界面也没不可能造出鼠标这种东西了因为不可能做出点控的设备。
然后回归正题既然造标准意义的显卡不可能那么就退而求其次做一些功能弱一些的显示设备比如说只要求显示器输出部分字符并不要求其控制每一个像素。这样可行度会大大提高。
演示视频中的计算器和字符显示器都是可以控制输出字符的显示设备。那么该如何用尽量少的电路来实现这些结构并且能够让其反应迅速呢又如何增加显示设备与玩家的交互性呢
前面已经介绍过minecraft中常见的图像信号组成方式红石灯和阴影。视频里正好展示了这两种计算器和电子表部分用的是阴影字符显示器用的是红石灯。为什么这样选择呢这和方块的特性也有一定关系不过这个无关紧要。先来介绍计算器的数字显示。
常接触单片机的人很容易看出我用的是七段数码显示器。七段显示器顾名思义所有十进制数字信息都可以由七个部分组成的3横4竖。电话机老式收银机上的数字都是用这种方式显示的。“8”这个数字是最复杂的它把7个段都用到了如下图右边的“2”显然是“8”去掉左上和右下两个段其他所有数字都可以用少于7个段表示。
那么如何用二进制电路表示十进制数呢编码的原则是越简单越好显然10个十进制数字可以用10个4位二进制数表示比如3是01这就是BCD码。计算机说到底就是一堆不同种类的码来回转换的过程。要达到数字显示到屏幕上的过程需要如下步骤二进制码发射到A单元上A单元将二进制码对应的十进制数连接到各数字对应的七段信息上比如0100是数字4而4对应的七段信息如上图是左上右上中右下四个段最后这四个段每段3个方块的活塞抽回来则数字4就被显示出来这整个过程译码了两次一次是二进制码BIN转十进制码BCD一次然后十进制码转对应的七段信息是第二次。字符显示也一样是这种原理具体后面再说。
上面所提的A单元就是译码器。计算机里充斥了各种译码器。下图为BIN转BCD再转七段信息的译码器橙色条形方块下面的部分。这个译码器经过极度的体积压缩保证它占据的体积是所能实现的最小的。因为一连串字符排在一起如果译码器较宽一个一个排在一起会占据较大空间使数字看起来松散。实际上整个工程每一个单元的体积我都尽了最大努力将其压缩这耗费非常大的脑力和精力。关于如何在三维结构上压缩电路也可以单拉出来写几千字。
计算器还需要控制端按钮转BIN译码器多位BIN转BCD译码器和多位BCD译码器转BIN用于和CPU沟通这些比较复杂就不多说了和显示设备无关上面部分已经介绍过算法。
下面介绍字符显示器。
字符显示器是点阵式的即在一个5x5像素的点阵上显示一个字符如下图5x5显示屏单元上的字母N和七段显示器一样后面一长串就是BIN转字符转5x5像素译码器。
我使用的是自己设计的缩减版的ASCII码只有不到64个字符如下表我暂时称之为ASCII X码。
上表字符的BIN码都是一个字节的低6位另外还有一个字符Enter表示换行使用表示的。
游戏中能做到的最小像素是2x2个红石灯之所以不能做到1个红石灯为一个像素是因为体积上不可能做到在那么小的空间里控制每一个红石灯的亮灭。而就算2x2的红石灯为一个像素也很难做到点控。关于这些字符译码的具体电路结构不作详述下面贴几张字符显示器的流水线结构视频里也有介绍
下图为字符显示器BIOS部分的输入端有两个寄存器用轮发射方式发射字符信息字符信息来自右边的只读储存器。
下图为双线程字符译码器整个字符显示器模块都是时序控制的。
下图为字符显示器的输出部分用总线连接一共两排24个单元每个单元分显示器锁存器和闪屏器。中间的后方是一个总的移位控制单元。全时序控制最快速的每3.4秒输出一个字符可换行换页。
下图就是双向移位触发器。
做这个显示器耗费了较长的时间我一开始的设计方案体积大概是这个的三倍后来突发奇想解决了不少技术问题缩小了体积并改为完全的时序控制。现在还缺计算机键盘的交互式控制和其他几个模块的显示单元。
现在显示器的键盘也制作完毕了可以打字修改光标前后左右移位等
下面用几段话回顾视频里展示的功能。
首先是计算器的功能
然后是电子表功能
关于电子表多说几句。电子表对于整个CPU而言只是一个独立的附属物我把它当做主要的展示品是因为电子表可视化的效果比较好。原本我想再录一些关于总线技术和流水线技术的视频但是太抽象了看着都困就作罢。电子表电路原理很简单就是用移位触发器循环一些数字而已。重点不在原理而在电路体积大小。我花了些精力将电子表的体积压缩到如下图这样应该是非常迷你了。
最后是字符显示器功能
视频里有个字幕写错了有一句话里welcome没有加最后那个e不过已经费劲千辛万苦把超清视频传到优酷里就懒得重新压视频再传上去了。
关于工程的架构名称Alpha21016。之所以取这个名字是为了纪念十几年前DEC(Digital Equipment Corporation)的Alpha架构那是一个处理器时代的传奇可惜商业上并不成功。Alpha组的人很多后来都去了Intel和AMD并立下了汗马功劳。
综合视频和日志粗略的介绍了一下工程题目说是“技术细节”实际上还有好多没介绍的就先不说了真要写完估计要写一本200多页的书。具体的规划细节比如各种重要功能结构的设计指令集的设计硬件单元接口排布储存器空间位置流水线级数动态分支预测乱序执行显示器控制原理等等实在写不动这篇已经写了2万多字了等最终成品做完了再发完整的技术文档。
本文是2013年8月写的不知为何日被大家顶上来。首先感谢大家的评论分享和赞扬。需要看工程新进展可以到我的相册里找。工程最终大约在2015年完工会再发一篇完整地视频和文档出来。
最后再次感谢大家的支持
最近仍有很多人关注我的工程我非常感动。我没弃坑只是进度缓慢。
最新的进度图
目前CPU已经可以执行若干种机器指令以MOV为主通用寄存器赋值按字/字节+立即数/间接/直接寻址。
详细设置如下
指令名称数据储存器取数据至X寄存器
指令目标将数据储存器中的某一字/字节数据传输至X寄存器中
指令格式00001
对应含义指令码
直接寻址/立即数寻址
按字/按字节
备注如果地址为奇数且为按字寻址则改地址数据赋值到目的寄存器高8位
指令名称传输MOV
指令目标通用寄存器之间的数据传输
指令格式1000000
对应含义指令码
源寄存器地址
目的寄存器地址
指令名称加减乘除
指令目标将被操作数取出传输至Y寄存器四则运算后储存至X寄存器
对应含义加/减/乘/除
直接寻址/立即数寻址
取数计算/直接计算
备注只支持按字读取数据储存器
指令名称寄存器间接寻址
指令目标将某寄存器中数据作为地址传输至MAR取数后传输到任意寄存器
指令格式1000001
对应含义 指令码
按字/按字节
地址寄存器地址
目的寄存器地址
备注Y寄存器不支持作为地址寄存器其他寄存器都可以
之后还有约30种指令未完成工程量很庞大但我肯定会坚持完成的。实现所有指令后我会尝试做一个可视化的类似DOS界面的机器码处理界面。如果不做的话除了我就没人能看懂这个工程里CPU的作用了。字符显示器可以接收CPU传输过来的ASCII码并输出不支持写入。
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