自己设计制作CPU与单片机

不亲自设计CPU的人很难以理解计算机的真谛。
基础上不能与人并驾齐驱，永远不要谈超越别人。

从精简指令系统RISC，到复杂指令系统CISC；
从原理图设计，到硬件编程；
从人机交互设计，到操作系统内核设计；
从无，到有，设计属于你自己的CPU与单片机。

去做一件看似不可能的事，
才能知道你的极限在哪里。

《自己设计制作CPU与单片机》是一本为有志于计算机CPU设计的人员所写的书，不论你是狂热的发烧友，还是精明的计算机专业工作者。
《自己设计制作CPU与单片机》以作者几十年学习设计制作CPU与通用单片机的经历，来告诉你如何从无到有地设计属于你自己的CPU和可以运行用户程序的单片机。书中以作者的十几个CPU设计工程为主线，展示了精简指令系统RISC和复杂指令系统CISC计算机CPU的设计方法。既有硬件编程，又有原理图设计，适合软硬件人员学习计算机核心技术之用。
《自己设计制作CPU与单片机通过实例告诉读者，如何创造性地进行计算机高端产品CPU的立意和设计，介绍了人机交互和操作系统内核的设计方法。这是一本对要全面掌握计算机高端技术的人员而言必读的CPU设计制作之书。

姜咏江，1945年出生。副教授。中国计算机学会和中国电子学会高级会员。
从事数学、计算机理论、微体系结构、操作系统方向研究。
自己设计制作CPU与单片机多台。

前 言

上篇CPU设计制作入门

第１章自己就能设计制造CPU

1.1自己设计制作CPU有啥意义

1.2我设计制作CPU的经历

1.3电子电路设计制作的新变化

1.4自己设计CPU的条件

1.5创新CPU设计的意义

第2章进入硬件设计的天地

2.1搭建自己的制造工厂

2.2设计制造CPU需要热身

2.3硬件设计语言Verilog HDL

2.4Verilog HDL语句和模块

2.5Verilog HDL其他常用语句

第3章自己创造CPU的方法

3.1深刻理解CPU的结构

3.2自创CPU的一般步骤

3.3如何设计自己的指令系统

3.4指令分析的一般性总结

3.5让CPU运行程序

第4章一个简单CPU的设计

4.1创建一个CPU设计工程

4.2剖析这个CPU设计程序

4.3CPU行为的描述方法

4.4如何让CPU运行软件程序

4.5CPU设计工程小结

第5章自制通用CPU与单片机

5.1实体结构与器件应用

5.2通用CPU指令系统设计

5.3用汇编程序检验CPU设计

5.4外设与CPU接口设计

5.5设备驱动程序设计

5.6时钟设计

5.7开发板连接程序设计

5.8FPGA引脚连接

5.9操作系统内核设计

5.10烧制CPU制作单片机

第6章流水线CPU设计

6.1流水线结构

6.2第一个流水线CPU

6.3循环流水线CPU

第7章非透明流水线通用单片机

7.1三级流水线计算机设计思想

7.2重编指令系统

7.3流水线通用CPU设计

7.4流水线操作系统内核设计

第8章流水线编程的透明设计

8.1分支指令透明化

8.2其他指令透明化

8.3缓冲区连接

8.4开发板的连接

8.5烧制运行与测试

中篇深入CPU设计

第9章信息与信息处理

9.1信息与媒体

9.2信息处理与数据

第10章机器表示数和运算

10.1限位记数

10.2解决正负数运算的对称制

10.3对称制加法的溢出

10.4信息的二进制表示

第11章逻辑代数是CPU的基石

11.1逻辑代数的概念

11.2逻辑代数的基本运算规则

第12章万能的逻辑电路

12.1二极管和三极管

12.2依据表达式作电路

12.3真值表与逻辑函数

第13章元器件与线路设计原理

13.1RS触发器

13.2D型触发器

13.3通断控制开关电路

13.4带预置清除端的边沿触发器

13.5线路数据传输

13.6寄存器原理

13.7译码器和多路选择器

第14章CPU的器件设计

14.1原理图设计方法

14.2加减法运算器设计

14.3分段加减法运算器设计

14.4通用计数器

14.5标志线的设计

14.6移位寄存器设计

14.7乘法运算器的设计

14.8通用乘法运算器设计

14.9除法运算器设计

14.10译码器的设计

14.11浮点加减法运算器设计

14.12节拍器的设计

14.13存储器设计

14.14总线结构设计

第15章X86型CPU及单片机设计

15.1PMC硬件构成

15.2CPU的逻辑结构

15.3指令系统设计

15.4控制矩阵

15.5控制矩阵生成器

15.6控制矩阵生成器的使用

15.7PMC110总线结构

15.8CPU顶层总线结构

15.9输入缓冲接口设计

15.10PMC110CPU与外设连接

15.11PMC110操作系统核心设计

15.12PMC110 顶层与引脚

第16章带LCD的通用单片机

16.1FM12864J液晶屏

16.2FM12864J逻辑结构与控制

16.3LCD读写控制

16.4LCD帧控制程序

16.5字库设计程序

16.6时钟和送显信号设计

16.7内外总线连接

16.8开发板连接程序

16.9EP1C12Q240增加引脚连接

16.10带LCD单片机顶层文件

16.11带LCD单片机运行测试

第17章动态CPU的思想方法

17.1历史背景

17.2并行计算机冲突概述

17.3PU-MU-CHL并行结构——计算机核心重组

17.4PU与MU连接控制

17.5动态计算机的整机结构

第18章动态CPU设计实例

18.1PMC362CPU逻辑结构

18.2PMC362CPU结构设计

18.3PU设计

18.4PU-MU指令系统

18.5MU设计

18.6CHL设计

18.7顶层结构

18.8设备连接优先级设计

18.9主要部件和特色

18.10测试程序设计

18.11PMC362程序并行执行仿真

18.12下载到开发板上运行检验

第19章PMC计算机应用

19.1PMC110汇编语言设计工具

19.2程序输入装填与执行

19.3系统复位与复杂操作

19.4需要知道的限制

第20章汇编语言程序设计

20.1汇编程序的基本结构

20.2指令的分类

20.3程序设计

20.4宏指令

20.5汇编程序编译方法

20.6典型问题求解

20.7虚拟存储器结构设计

下篇自己制作单片机

第21章自制单片机器件与环境

21.1自制计算机系统整体结构

21.2PMC计算机的供电系统

21.3输入设备

21.4显示输出设备

21.5PCB印刷电路板

21.6个人设计制作计算机所需的工作环境

第22章PMC110计算机电路设计

22.1计算机辅助设计软件PADS

22.2基本型PMC电路的原理图设计

22.3PMC110计算机PCB设计

22.4器件PCB封装设计

第23章计算机组装与下载

23.1PCB检测

23.2器件焊接

23.3上电检测和断电修正

附录

“能不能自己设计制作一台计算机？”
现在，我可以肯定地回答你：“能！”
计算机发展到今天，几乎已经是无处不用了。然而谈起中国人自己制造计算机的问题，未免还有些气短。特别是计算机的灵魂CPU，一色都是国外制造的，就是有人说某CPU是中国人制造的，你也未必相信，最好的回答恐怕也是“山寨”或者仿造。
什么我们自己不能够制造CPU？这涉及到CPU的设计理论方法和超大规模集成电路制造技术。据最新的报导，我国已经掌握了22纳米的超大规模集成电路生产工艺，看来很快就会有真正国内生产的CPU芯片问世。
说到CPU设计，关键要有理论和设计实践环境。长时间以来，我们既缺先进的设计理论，又缺实现CPU理论的设计环境。理论需要头脑思考，只要我们辛勤认真地学习和思考，理论问题就能够解决，关键的是实现CPU设计的环境与工艺技术。可以说CPU设计环境和工艺技术阻碍了我国微电子工业的发展。现在这个问题应该说已经解决了。十几年前发展起来的FPGA芯片，使这一切都变得简单了。FPGA的出现标志着一个全新的个人设计制作CPU芯片的时代到来了。
从进入计算机领域的那一天开始，我就无时无刻不在梦想自己制造一台计算机。这一梦想在2006年终于成为了现实。我不但设计出了完全属于自己的CPU，还亲手制作了以自己的CPU为中心的通用单片机。一般的单片机不能随时运行用户程序，而我制作的单片机可以在运行过程中，随时输入用户程序执行。专用计算机和通用计算机的根本区别就在于能否执行用户程序。
一晃8年的时间过去了。很高兴地看到想要自己设计制作CPU与计算机的人越来越多。这期间向我询问个人设计制作CPU技术的人也多了起来，所以我决定将自己的心得体会写出来，希望能够快速地营造一个自己设计制作CPU与计算机的氛围，希望我国的计算机高端理论和技术能够快速发展。
本书是我三十几年从事计算机教学与科研的经验总结，其中包含多个自己设计的CPU实例。既有复杂指令系统的CPU，也有流水线一类精简指令系统的CPU，特别是还有我自己发明的动态CPU的设计。这些设计工程实例，既有复杂一些的，也有简单的。这样做的目的，是想让那些资深的计算机技术人员和那些资历尚浅的计算机CPU设计爱好者，都能够在本书中获得一些启迪，增加他们投身到计算机高端领域的兴趣。
本书共分三大部分：
上篇叫做CPU设计制作入门。其中主要介绍用硬件编程语言如何来设计制作CPU与单片机。这一部分主要以精简指令格式的CPU设计为主。由浅入深，有简单CPU设计、通用CPU与单片机设计制作、流水线CPU设计、通用流水线CPU与单片机设计制作、透明三级流水线CPU与单片机制作等。
中篇叫做深入CPU设计。这一部分对计算机CPU设计的理论和方法作了深入地介绍和讨论，从源头上来解决CPU设计的基础理论和技术，重点介绍原理图方式设计CPU的技术和方法。这样做的目的是能对初学CPU设计的读者给予理论上的指导，同时力求对那些有创新CPU设计能力的读者有所帮助。这一部分主要包括：
（1）计算机CPU设计原理和方法，重点给出了限位记数法和对称制，它们是机器计算的重要理论和设计的重要依据；
（2）构成CPU的各种元器件设计方法与实际设计，特别给出了定点数加、减、乘、除和浮点数加减法运算器的设计，这些运算器都能够实现超长数的运算；
（3）给出了PMC110计算机基础型和带液晶屏单片机设计的工程实例，重点介绍如何用原理图设计通用计算机的内外结构，液晶屏设备的使用及CPU与外设异步通信的基本方法；
（4）给出了动态计算机PMC362的设计思想与设计方法等。
下篇叫做自己制作单片机。这一部分主要介绍通用单片机如何制作。其中包括带有FPGA的计算机电路板设计、器件选择、设备安装、工程下载等一系列设计制作方法。通过这一部分内容论述，让读者能够成为一个可以独立运行的单片机的制造者。
CPU设计制造之所以被称为“高科技”，在于它所涉及的知识和技术领域较广，所以使一些想涉猎这一领域的人望而却步。什么复杂的CPU设计、什么高深的操作系统设计，通过本书你会看到，原来这一切也不过是如此而已！
书中令作者十分得意的有三点：
第一是限位数与对称制理论，它在补码制的基础上，完善了机器精确计算的理论和方法；
第二是动态CPU的设计理论和方法，这一发明是对以进程线程方法进行程序运行和调度，以系统软件管理内存的运行方式发出了挑战，进而发出了“减少软件消耗”的呼声；
第三是让读者一下子就能够接触到操作系统内核，用简单的十几条指令，就能让读者体会到操作系统的本意。
书中许多内容都是作者的独创，虽然这些内容有些距离市场应用还有相当的距离，但其中所揭示的理论和方法却是最直接的。发展一下，进入市场是指日可待的事情。就我个人几十年的设计体会来说，这方面的东西未必像一些人所描述的那样高深莫测，在FPGA器件和电子设计自动化软件EDA存在的条件下，有志趣的高中生都可以自己将CPU设计出来。
但愿我所写的这本抛砖引玉的书，能够吸引我国更多的年轻人投入到CPU与计算机的设计领域中来！
姜咏江
2014年1月12日