Базовые команды процессора частично-гарвардской архитектуры

Для 16-битного процессора с частично-гарвардской архитектурой необходимо реализовать базовый набор команд, включающий арифметические, логические, управляющие и команды работы с памятью. В учебном проекте рекомендуется начать с минимального набора команд (около 10-15 инструкций) для выполнения основных вычислений, а затем постепенно добавлять более сложные инструкции для расширения функциональности процессора.

Содержание

• Основные характеристики частично-гарвардской архитектуры
• Базовый набор команд для 16-битного процессора
• Рекомендуемые дополнительные команды
• Примеры реализации учебных процессоров
• Рекомендации по проектированию

Основные характеристики частично-гарвардской архитектуры

Частично-гарвардская архитектура сочетает в себе элементы как гарвардской, так и фон-неймановской архитектур. В отличие от чисто гарвардской архитектуры, где память команд и память данных полностью раздельны, частично-гарвардская реализует разделение лишь на некоторых уровнях.

Ключевые особенности, влияющие на выбор команд:

• Раздельные шины для команд и данных: Позволяет выполнять выборку команды и доступ к данным одновременно
• Различная разрядность шин: Например, 16-битные команды и 8-битные данные или наоборот
• Оптимизация производительности: Параллельная работа с памятью программ и памяти данных

Как указано в исследованиях, “инструкционное пространство может быть доступно по 20 адресным линиям, в то время как адреса в пространстве данных могут иметь только 16 бит”.

Базовый набор команд для 16-битного процессора

Арифметические и логические операции

Для образовательного процессора необходимо реализовать следующие базовые арифметические команды:

1. ADD - сложение двух регистров

   ADD Rdst, Rsrc1, Rsrc2  ; Rdst = Rsrc1 + Rsrc2
   

2. SUB - вычитание

   SUB Rdst, Rsrc1, Rsrc2  ; Rdst = Rsrc1 - Rsrc2
   

3. ADDI - сложение с немедленным значением

   ADDI Rdst, Rsrc, imm    ; Rdst = Rsrc + imm (где imm - 16-битное немедленное значение)
   

4. AND, OR, XOR - логические операции

   AND Rdst, Rsrc1, Rsrc2  ; Побитовое И
   OR  Rdst, Rsrc1, Rsrc2  ; Побитовое ИЛИ
   XOR Rdst, Rsrc1, Rsrc2  ; Побитовое исключающее ИЛИ
   

5. NOT - инверсия

   NOT Rdst, Rsrc          ; Rdst = ~Rsrc
   

Команды работы с регистрами

6. MOV - перемещение данных между регистрами

   MOV Rdst, Rsrc          ; Копирование содержимого регистра
   

7. LUI - загрузка старших 16 бит

   LUI Rdst, imm           ; Загрузка верхних 16 бит в регистр
   

8. LLI - загрузка младших 16 бит

   LLI Rdst, imm           ; Загрузка нижних 16 бит в регистр
   

Комбинация LUI и LLI позволяет загрузить 32-битное значение в два 16-битных регистра, как это демонстрируется в архитектуре RiSC-16.

Команды работы с памятью

9. LOAD - загрузка из памяти

   LOAD Rdst, addr         ; Rdst = Memory[addr]
   

10. STORE - сохранение в память

    STORE Rsrc, addr        ; Memory[addr] = Rsrc
    

Управляющие команды

11. JMP - безусловный переход

    JMP addr                ; PC = addr
    

12. JZ - переход при нуле

    JZ Rsrc, addr           ; Если Rsrc == 0, то PC = addr
    

13. JC - переход при переносе

    JC Rsrc, addr           ; Если есть перенос, то PC = addr
    

14. NOP - нет операции

    NOP                     ; Пропуск такта
    

Как показывают исследования, базовый набор из 10-14 команд позволяет реализовать полноценный процессор для образовательных целей.

Рекомендуемые дополнительные команды

Для расширения функциональности и повышения производительности рекомендуется добавить следующие команды:

Арифметические операции с флагами

15. SETC - установка флага переноса

    SETC                    ; Установка флага переноса в 1
    

16. CLRC - очистка флага переноса

    CLRC                    ; Очистка флага переноса
    

Команды работы со стеком

17. PUSH - помещение в стек

    PUSH Rsrc               ; Decrement SP; Memory[SP] = Rsrc
    

18. POP - извлечение из стека

    POP Rdst                ; Rdst = Memory[SP]; Increment SP
    

Сдвиги и повороты

19. SHL - сдвиг влево

    SHL Rdst, Rsrc, imm     ; Сдвиг влево на imm бит
    

20. SHR - сдвиг вправо

    SHR Rdst, Rsrc, imm     ; Сдвиг вправо на imm бит
    

Команды сравнения

21. CMP - сравнение
    CMP Rsrc1, Rsrc2        ; Установка флагов сравнения
    

Условные переходы

22. JNZ - переход при ненулевом значении

    JNZ Rsrc, addr          ; Если Rsrc != 0, то PC = addr
    

23. JNC - переход при отсутствии переноса

    JNC Rsrc, addr          ; Если нет переноса, то PC = addr
    

Команды работы с битами

24. BIT - проверка бита

    BIT Rsrc, bit_pos       ; Проверка бита в указанной позиции
    

25. SETB - установка бита

    SETB Rsrc, bit_pos      ; Установка бита в указанной позиции
    

26. CLRB - очистка бита

    CLRB Rsrc, bit_pos      ; Очистка бита в указанной позиции
    

Важно: Для учебного проекта рекомендуется начать с базового набора из 10-14 команд, а затем постепенно добавлять дополнительные по мере необходимости. Как отмечают специалисты, процессор с 16-битной разрядностью может эффективно работать с ограниченным набором команд, которые покрывают основные вычислительные задачи.

Примеры реализации учебных процессоров

RiSC-16 архитектура

RiSC-16 - это учебная архитектура процессора, разработанная в Университете Мэриленда. Основные характеристики:

• 16-битная архитектура с разделенной памятью команд и данных
• RISC-подобный набор команд с фиксированной длиной инструкций
• 32 регистра общего назначения
• 4-ступенчатый конвейер

Типичные команды RiSC-16:

ADD Rdest, Rsrc1, Rsrc2   ; Арифметическое сложение
ADDI Rdest, Rsrc, imm     ; Сложение с немедленным значением
LOAD Rdest, offset(Rsrc)  ; Загрузка из памяти
STORE Rsrc, offset(Rdest) ; Сохранение в память
JMP Rsrc                 ; Безусловный переход
JZ Rsrc, offset          ; Переход при нуле

RISC-V 16-bit процессор

RISC-V 16-bit - это реализация RISC-V архитектуры с 16-битной разрядностью:

• Основана на RV32E RISC-V ISA
• 16-битные регистры
• Гарвардская архитектура
• Поддержка основных арифметических и логических операций

Процессор на базе LC-2

LC-2 - еще одна популярная учебная архитектура:

• 16-битные слова
• RISC архитектура с load/store
• Минимальный набор инструкций
• Абсолютная и индексная адресация памяти

Рекомендации по проектированию

Выбор формата инструкций

Для 16-битного процессора с частично-гарвардской архитектурой рекомендуется использовать фиксированную длину инструкций (16 бит). Это упрощает декодирование и реализует принцип RISC.

Пример формата инструкции:

[15:12] - Опкод (4 бита)
[11:8]  - Регистр назначения (4 бита)
[7:4]   - Регистр источника 1 (4 бита)
[3:0]   - Регистр источника 2 или немедленное значение (4 бита)

Оптимизация производительности

1. Конвейерная обработка: Реализовать 4-ступенчатый конвейер (выборка, декодирование, выполнение, запись)
2. Раздельные кэши: Для команд и данных при наличии ресурсов
3. Предсказание ветвлений: Простое статическое предсказание для образовательного проекта

Тестирование и верификация

1. Написание тестовых программ: Простые программы для проверки каждой инструкции
2. Симулятор процессора: Программная модель для отладки до аппаратной реализации
3. Автоматизированное тестирование: Скрипты для проверки корректности работы процессора

Как показывают исследования, студенты обычно начинают с разработки симулятора, а затем переходят к аппаратной реализации на Verilog или VHDL.

Масштабируемость проекта

Для образовательного проекта рекомендуется следующая последовательность:

1. Базовый процессор (10-14 команд) - реализация основных операций
2. Конвейерная версия - добавление конвейера для повышения производительности
3. Расширенная версия - добавление кэшей и других оптимизаций

Совет: Начните с минимально жизнеспособного продукта (MVP) - процессора с базовым набором команд, который может выполнять простые программы. Затем постепенно добавляйте функциональность по мере необходимости.

Источники

1. Harvard Architecture - Wikipedia
2. Design of a 16-bit RISC processor - ResearchGate
3. RiSC-16 Architecture Documentation
4. RISC-V 16-bit processor project - GitHub
5. Design of a 16-Bit Harvard Structure RISC Processor - IEEE
6. An Educational RISC-V-Based 16-Bit Processor - MDPI
7. Verilog Code for 16-bit RISC Processor - FPGA4student
8. A Simple Microprocessor RISC Processors Instruction Sets

Заключение

Для разработки 16-битного процессора с частично-гарвардской архитектурой в рамках учебного проекта следует придерживаться следующих рекомендаций:

1. Начать с базового набора команд (10-14 инструкций), включающего арифметические, логические, управляющие и команды работы с памятью
2. Использовать фиксированную длину инструкций (16 бит) для упрощения декодирования
3. Реализовать минимально жизнеспособный продукт с последующим расширением функциональности
4. Создать симулятор процессора для тестирования и отладки перед аппаратной реализацией
5. Добавить конвейерную обработку для повышения производительности в расширенных версиях

Основные команды, которые должны быть реализованы: ADD, SUB, ADDI, AND, OR, XOR, MOV, LOAD, STORE, JMP, JZ, JC, NOP. Дополнительные команды (PUSH, POP, сдвиги, сравнения) можно добавлять по мере необходимости для расширения функциональности процессора.

Успешное выполнение проекта требует системного подхода: от проектирования архитектуры до верификации работы процессора на тестовых программах.