5.5.Hack计算机实现

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\(5.5.\)Hack计算机实现笔记

1.CPU实现

  \(a.\)指令识别

  • instruction[15]:用于判断是否为A指令。
  • instruction[12]用于选择ALU的第二个输入来源。当instruction[12] = 0时，ALU的第二个输入为A寄存器；否则为存储器的输入数据inM。
  • instruction[6:11]:用于控制ALU的操作。
  • instruction[5]:当instruction[15] = 0时，instruction[5]就是A指令的一部分；否则，它就是C指令的一部分。
  • instruction[4]:用于选择ALU的第二个输入。当instruction[4] = 1时，我们将内存中读取的数据作为ALU的第二个输入(即inM)；否则将A寄存器中的数据作为ALU的第二个输入。
  • instruction[3]:用于指示是否要向数据内存写入数据。当instruction[3] = 1时，表示要向数据内存中写入数据(即writeM = 1)；否则不对数据内存进行写入操作。
  • C指令对应的16位指令：
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1 c1 c2 c3 c4 c5 c6 d1 d2 d3 j1 j2 j3
  • A指令对应的16位指令
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0 address[14:0]

  \(b.\)A寄存器处理

Alt text
  1. 输入的16位指令和ALU的输出经过Mux16作为A寄存器的输入：
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Mux16(a = instruction, b = ALUOut, sel = instruction[15], out = Ain);
  1. 在后面的过程中，我们需要知道指令是否为A指令，因此我们用一个pin来记录：
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Not(in = instruction[15], out = NotA);

  1. 判断是否需要将指令加载到A寄存器中。此时有两种情况：

    1. 当前指令不是A指令，则选择加载。
    2. 当前指令为A指令，但是instruction[5] = 1(该位置用于存储A指令有关信息)，则选择加载：
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Or(a = NotA, b = instruction[5] , out=loadA);
ARegister(in = Ain, load = loadA, out = Aout, out[0..14] = addressM);

  \(c.\)ALU运算

  1. 我们先处理ALU的两个输入源，其中第二个输入源由C指令集的instruction[12]控制：
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Mux16(a = Aout, b = inM, sel = instruction[12], out = AMout);
And(a = instruction[15], b = instruction[4], out = loadD);
DRegister(in = ALUOut, load = loadD, out = Dout);
  1. 然后我们根据先前的指令识别进行ALU运算并输出：
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And(a = instruction[11], b = instruction[15], out = zx);
And(a = instruction[10], b = instruction[15], out = nx);
Or(a = instruction[9], b = NotA, out = zy);
Or(a = instruction[8], b = NotA, out = ny);
And(a = instruction[7], b = instruction[15], out = f);
And(a = instruction[6], b = instruction[15], out = no);

ALU(x = Dout, y = AMout, zx = zx, nx = nx, zy = zy, ny = ny, f = f, no = no, out = outM, out = ALUOut, zr = zero, ng = nega);

zy和ny控制信号在A指令时被强制为1是为了确保ALU的输入在处理A指令时被简化与固定，不受C指令控制位的影响，从而避免不必要的计算。

  1. 之后我们需要执行C指令集的跳转逻辑。我们根据ALU计算结果和指令中的跳转位来决定是否跳转。

  首先对C指令集的跳转位进行明晰：

  • instruction[0]对应JGT，当ALU输出为正数时跳转。
  • instruction[1]对应JEQ，当ALU输出为0时跳转。
  • instruction[2]对应JLT，当ALU输出为负数时跳转。

  于是我们可以写出以下代码：

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Or(a = zero, b = nega, out = notpos);
Not(in = notpos, out = pos);
    
And(a = instruction[0], b = pos, out = out3);
And(a = instruction[1], b = zero, out = out2);
And(a = instruction[2], b = nega, out = out1);

Or(a = out1, b = out2, out = out12);
Or(a = out12, b = out3, out = out123);

And(a = out123, b = instruction[15], out = jump);

pos, nega, zero分别代表正数、负数和恰好为0。并且注意除了满足跳转条件外，还需要确保当前是C指令。

  1. 最后我们调用PC以存储并更新当前指令的地址：
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PC(in = Aout, load = jump, reset = reset, inc = true, out[0..14] = pc);

2.内存实现

  内存实现较为简单，根据传入的15位地址address的后两位以及load来调控RAM、屏幕以及键盘即可。

  • 01 and load: RAMLoad
  • 10 and load: SCRLoad
  • 11 and load and other digit 0: KEYLoad

3.Hack计算机实现

  我们根据计算机的结构，对已有芯片进行接线即可：

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CPU(inM = MemoryOut, instruction = Rominstruction, reset = reset, outM = CPUoutM, writeM = CPUload, addressM = CPUaddress, pc = CPUpc);
Memory(in = CPUoutM, load = CPUload, address = CPUaddress, out = MemoryOut);
ROM32K(address = CPUpc, out = Rominstruction);