第540章 设计进行时（1/2）

第二天一早，第八组设计室，工业计算机26颗芯片的分配图挂在黑板上。

吕辰手里拿着《精简指令集体系结构与编码表》，站在黑板前。

台下坐着诸葛彪、钱兰、曾祺，以及七个设计小队42名成员。

“咱们的精简指令集，理论组已经设计完毕，我们在午马机上跑通了。48条指令，全部验证通过。”吕辰开门见山，“今天，咱们把这48条指令，分配到26颗芯片里。”

他翻开编码表，指着第一页的总表。

“按照咱们最初的设计，使用频率最高的指令，要做在主控核心和运算器里，单周期执行。io和特殊指令，分配到对应的专用芯片里。这些指令直接和硬件打交道，必须和对应的接口芯片协同设计。”

他放下手，看着台下：“下面，一项一项过。”

第一类是算术逻辑指令，一共是12条，吕辰在黑板上依次写了下来。

add、sub、mul、div、and、or、xor、not、cmp、inc、dec、neg

钱兰道：“这12条指令，是工业控制最常用的，几乎每个控制回路都要用。必须全部硬件化，放在主控制核心和定点运算器里。”

大张海举手：“mul和div也硬件化？乘法器和除法器面积可不小。”

曾祺回应道：“工业控制里的乘除，大部分是乘除常数，比如pid算法里的系数乘。做简单乘法器就够了，不需要32位乘32位的复杂单元。用移位加实现，面积小，速度够用。”

其他人没有意见，吕辰点点头：“主控核心：算术逻辑单元a露，支持12条指令。”

第二类是分支跳转指令，一共8条。

jmp、jz、jnz、jc、jnc、call、ret、int

诸葛彪道：“这些指令控制程序流程。中断、子程序调用、条件跳转，实时性要求高。”

钱兰特别指出“int”和“call”：“中断响应要在几个时钟周期内完成，所以中断现场保存必须硬件自动完成，不能用微程序。”

其他人没有意见，吕辰在中央处理模块那一栏画了一个箭头，指向主控制核心。

“全部放在主控制核心。”

第三类是数据传送指令，一共6条。

v、load、store、push、pop、xchg

吕辰指着黑板：“v是寄存器之间传数据，loadstore是寄存器和内存之间传数据。这些指令的执行频率极高，一个温度控制回路里，有一半指令是数据传送。”

周建国道：“loadstore要访问内存，地址计算和总线时序怎么处理？”

吕辰在黑板上画了一个简图。

“地址计算放在主控制核心，总线访问由存储控制器（kl-mc）配合完成。load指令执行时，主控核心把地址发到地址总线，存储控制器从内存读数据，放回数据总线，主控核心再把数据写进寄存器。”

其他人没有意见，吕辰在存储模块那一栏写了几个字：“kl-mc：配合loadstore实现。”

io读写指令一共10条。

in、out、ins、outs、read_adc、write_dac、read_temp、set_pwm、read_encoder、set_stepper

“这一类指令最多。”吕辰的声音提高了一些，“工业控制的核心就是读传感器、写执行器。这10条指令，每一条都对应一种或几种io操作。”

他在黑板上画了一张表，左边写上指令，右边空着。

“现在，咱们来讨论各io读写指令的对应芯片。”

钱兰道：“按照咱们的架构，io操作要放在专用芯片里，所以这些指令，不全部做在主控制核心里。”

吕辰点了点头：“主控核心只负责指挥，不负责干活。干活的事，交给专用芯片。这样主控核心的设计就简单了，不需要集成各种模拟电路和接口逻辑。”

经过讨论，inout放在数字量输入输出芯片；insouts放在串行通信控制器；read_adc放在模拟量输入芯片……

移位指令仅有4条，分别是shl、shr、rol、ror。

这个比较好定，移位指令用于数据处理，比如协议解析、编解码。

这些指令逻辑简单，但执行频率不低。

因此，放在主控核心的a露里，和算术逻辑单元共用数据通路。

位操作指令也只有3条，bset、bclr、btst，这些指令硬件实现很容易，放主控核心。

系统控制指令虽然同样是3条，但是就比较考量。

nop是空操作，halt是停机，wdr是看门狗复位。

wdr指令很重要，工业控制不能死机，看门狗定时器需要程序定期‘喂狗’，如果程序跑飞了，没有及时喂狗，看门狗就会自动复位系统。

小主，这个章节后面还有哦，请点击下一页继续阅读，后面更精彩！因此，wdr指令需要和电源管理芯片里的看门狗定时器配合。

在执行wdr时，主控核心通过控制总线告诉电源管理芯片喂狗了，定时器清零。

最后是两条特殊指令swi和rdtim，前者是软件中断，用于系统调用。后者是读时钟，用于实时任务调度。

讨论完毕，吕辰在黑板上写完最后一行字，放下粉笔，转过身。

“48条指令，分配完毕。咱们来总结一下。”

“48条指令，分配完毕。咱们来总结一下。”

“主控制核心，硬件实现40条高频指令，算术逻辑、分支跳转、数据传送、移位、位操作、系统控制、特殊指令中的swi和rdtim。冗余监控核心同上，2颗定点运算器，实现乘除法和移位操作，加速运算，存储模块……”

吕辰讲完，会议室里安静了几秒。

钱兰第一个开口：“吕辰，你把io指令和专用芯片的对应关系写成一张表，这个方法不错，以后写微程序的时候，程序员能查。”

曾祺赞同：“依我看，咱们得整理一个《io指令与芯片映射手册》，我看这个事，我来负责吧。”

诸葛彪问了一句：“那8条没有硬件化的低频指令，放在程序存储器里的微程序，谁来写？”

吕辰想了想：“这点事情不大，不用麻烦程序设计院，我拿去交给李师兄，这些没有硬件化的指令，最终都是要放进工业计算机的微程序库的。”

诸葛彪把烟掐灭在烟灰缸里，站起来伸了个懒腰。

“48条指令，40条硬件化，8条微程序模拟。分配完了，下一步干什么？”

吕辰看了看墙上的挂钟，已经快十二点了。

“下午开始，各小队根据指令集分配，修改《芯片功能规格说明书》。每一颗芯片，要明确列出它需要支持的指令、数据通路、控制接口。”

他看着台下：“三天之内，改完。然后开始逻辑设计。”

方案议定，吕辰等人进入了枯燥的设计工作当中。

这天一早，吕辰从厨房拿了两个馒头揣进兜里，推着自行车就出了门。

到了设计室，钱兰已经坐在桌前，面前摊着厚厚一沓稿纸，铅笔夹在耳朵上，正对着那张《精简指令集体系结构与编码表》发呆。

听见脚步声，抬起头，眼睛下面一圈青黑，显然昨晚也没睡好。

“钱师姐，这么早？”

钱兰揉了揉太阳穴：“48条指令分配到26颗芯片里，说是一句话的事，做起来全是问题。昨天晚上我翻了三个小时，发现好几个指令的执行路径在物理上根本走不通。”

她把稿纸转过来，指着上面用红笔圈出来的几处。

“你看这个load指令，需要从内存读数据到寄存器。但咱们的存储控制器和主控制核心之间，数据总线只有8位。load一次要两个周期，这还行。但问题是，如果连续load，总线仲裁会冲突。我刚才算了一下，至少要加一个数据缓冲队列，不然指令流水线根本转不起来。”

吕辰凑过去看了两眼，眉头皱了起来。

“加缓冲队列，意味着控制核心的逻辑要改。本来已经定了40条硬件指令，现在为了这个队列，至少要多加两个状态。”

“所以我才头疼。”钱兰把铅笔拿下来，在纸上敲了敲，“不加，性能不达标；加了，面积超标、时序收不住。宋教授那边卡得严，五微米工艺下，核心芯片面积不能超过80平方毫米。”