基于excel的16位CPU

简介

使用excel实现的简单16位cpu模拟，用于学习cpu原理。基于原上游库修改，重新设计了所有模块，并设计了基于sheet的汇编指令编辑/编译表格。

包含：

cpu：在excel sheet中实现的cpu，包含了程序计数器(PC)、取指单元(Fetch Unit)、控制单元(Control Unit)、MUX1/2(多路复用器)、算逻单元(ALU)、寄存器组(Registers)和内存管理单元（MMU0）组成。
RAM：基于excel sheet的128KB（128x512x16b=128KB）内存。
DISPLAY: 基于excel sheet的(128x96)点阵显示器，每个像素点可显示16种色彩。
指令集：用于excel cpu的指令集，总共包含了27条excel cpu汇编指令，指令长度包括16bit/32bit两种。
ROM：用于存放编译后的二进制excel asm，并可加载到RAM中进行执行。
excel汇编代码编译表格：基于excel 表格实现的asm语句编辑、编译sheet。

为了控制cpu的执行，在CPUsheet上方设置了几个单元格，用于设置cpu的运行状态和参数，如图所示

主要包括：

程序计数器(Program Counter)用于产生CPU下一条要访问的指令在内存中的地址。

下一个指令地址的产生主要有2种：

PC的输入主要由CU的几个状态输出和MUX1的OPERAND2，同时在其内部的LAST_PC中缓存了上个时钟周期的NEXT_PC输出；

PC的输出为NEXT_PC,存储了CPU在下一个时钟周期的1时要要执行的内存指令地址。

取指单元(Fetch Unit)用于根据PC的输出(NEXT_PC)从内存(RAM)相应地址中取出指令输出到指令总线(INST BUS)中。

控制单元(Control Unit)用于对取值单元(Fetch Unit)取出的指令进行解码，按照指令集设计，设置各种状态标志，以作为后续各种内部单元的输入，控制个单元的运行。

MUX1用于根据指令集设计获取当前指令的操作数2的具体值。根据指令集寻址方式设计，各个指令的操作数2可能为：

MUX1

算逻单元(Arithmetic Logical Unit)用于按照指令集设计，根据不同的指令码对指令操作数进行运算，得到指令结果的部件。

ALU

MUX2用于根据指令集设计，将ALU中指令执行的结果传递到相应的寄存器或内存地址中。

寄存器组(Registers)包含了16个通用寄存器(每个16bit)和标志寄存器(FLAGS)（包含4个标志位）。

内存管理单元(MMU)用于根据指令对内存对于地址的数据进行读写操作。MMU根据指令集设计通过控制单元CU将ALU的结果写入内存的对应地址中。

主存(RAM)是用于存储CPU执行指令和数据的部件，使用excel sheet的单元格来表示，总共包含128x512个单元格，每个单元格表示16bit的内存单元。

主存的最后96x128的区域为显存位置。

显示器为128x96个单元格矩阵，每个单元格根据RAM中最后的显存中的值，可输出16种颜色中的某一种颜色。

excel cpu指令集总共包含了27条指令，其中操作码0-6号指令长度位4Bytes(32bits), 7-26号指令长度2Bytes(16bits)。

OPCODE	8b	4b	4b	16b	OPERATION	ALU OP
00	0	JMP			IMD	IMD -> PC
01	1	JEQ			IMD	IF Z = 1, IMD -> PC
02	2	JLT			IMD	IF C = 0, IMD -> PC
03	3	JGE			IMD	IF C = 1 OR Z = 1, IMD -> PC
04	4	LOAD	REG		MEM	[MEM] -> REGA
05	5	LOAD	REG		IMD	IMD -> REGA
06	6	STORE	REG		MEM	REGA -> [MEM]
07	7	STORE	REG	REG		REGA -> [REGB]
08	8	TRAN	REG	REG		REGA -> REGB
09	9	ADD	REG	REG		REGA + REGB + C -> REGA
0A	10	SUB	REG	REG		REGA - REGB - C -> REGA
0B	11	MULT	REG	REG		REGA * REGB -> low 16 in REGA, high 16 in REGB
0C	12	DIV	REG	REG		REGA / REGB -> result in REGA, MOD in 16 in REGB
0D	13	INC	REG			REGA + 1 -> REGA (FLAGS not affected)
0E	14	DEC	REG			REGA - 1 -> REGA (FLAGS not affected)
0F	15	AND	REG	REG		REGA AND REGB -> REGA
10	16	OR	REG	REG		REGA OR REGB -> REGA
11	17	XOR	REG	REG		REGA XOR REGB -> REGA
12	18	NOT	REG			NOT REGA -> REGA
13	19	ROL	REG	IMD		REGA « IMD -> REGA
14	20	ROR	REG	IMD		REGA » IMD -> REGA
15	21	CMP	REG	REG		REGA - REGB -> ONLY FLAGS CHANGED
16	22	CLC				0 -> C
17	23	STC				1 -> C
18	24	NOP				NOTHING
19	25	LOAD	REG	REG		[REGB] -> REGA
20	26	HALT