micro:bit CPU 第二版

翻译自：http://www.suppertime.co.uk/blogmywiki/2020/06/improved-microbit-cpu/

在第一版的micro:bit CPU中（用MakeCode编程），只有非常精简的4条指令，但它在许多方面都像第一代家用计算机中使用的微处理器，如Altair 8800、Commodore Kim-1和剑桥科学的MK14：

没有使用诸如MakeCode，Scratch，Python或BASIC之类的高级语言进行编程，而是使用二进制代码指令。
每个二进制代码代表一条指令，一条附加了数据的指令，或者仅仅是数据。
程序运行时，CPU 依次从内存中提取每个指令。
然后解析指令
CPU 执行该指令
使用程序步数计数器跟踪其在程序中的位置，并在每次需要获取新指令时在程序计数器中加1。
不断从内存中按顺序提取，解码和执行指令，直到到达暂停指令为止。

实际上，我们的简易CPU所能做的就是将两个数字加在一起，并使用LED以二进制形式显示答案。它只不过是一个计算器而已，但不是一个好的计算器，因为它不能减、乘或除。

因为设计指令的方式，它仅限于4条指令：

指令限制为5位二进制数，而不是早期计算机系统中通常使用的8位二进制，因为我希望能够在micro:bit的LED显示屏的一行上显示指令的内容，发光的LED代表1，不发光的LED代表0。

操作数（数据，在这种情况下为地址）存储在指令的最后3位中，所以仅剩下前两位对实际指令进行了编码。

这显然不是一个好主意，但是如果我仍然想保留5位指令以适合显示，就需要从操作码中将操作数拆分出来，这就是micro:bit CPU项目的版本2所做的。

新的CPU指令

在新的设计中，当CPU获取并解码需要操作数的指令（某些数据或可以在其中找到数据的地址）时，它将内存中的下一个地址解释为数据，而不是指令。它通过读取其内容并将程序步数计数器增加2而不是增加1来实现。

现在我们有5个完整的位来对指令编码，这样有31个指令而不再是4个。严格来说，可以有32个指令，但是我决定使00000成为无操作的操作码，也就是空指令。

31个指令听起来很多，但即使是早期8位处理器（如早期家用计算机中使用的6502）也有100多个指令。为了使这个项目保持简单，并仍然实现一些有用的功能，我决定使用最少数量的指令来实现一个简单的乘法算法：

该算法通过将6（保存在变量x中）乘以7（保存在变量y中）变为将6累加7次，每次累加时从y中减去1，当y达到零时循环停止，并在LED显示输出上显示答案。

为了使该算法在micro:bit CPU上能使用，需要具有将变量减1的功能。将变量减1称为递减。正如我们将看到的，在执行重复性任务时，递增和递减数字非常有用。

不过，我们原来的算法缺少了两个功能:

循环功能。
条件判断功能 —— 在y为零时，跳出循环。

第二点是根据计算结果改变改执行代码的功能，这是使计算机成为计算机而不仅仅是加法器的根本原因。这种分支能力（通过指令集采用不同的路径）也是查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的分析引擎与更简单的差分引擎区分开来的原因，并使分析引擎（虽然从未建造）理论上成为一台通用计算机。

为了简单起见，我决定将循环和从循环中跳出的功能放在一条指令中：“如果不是零则跳转”。

当任何递减指令结果是0时，设立一个标志位。微处理器用内存来存储几个标志：这些是单个位，用来记录达到零（零标志）、变成负数（负数标志）或太大而超出一个字能存储的数字（进位标志）。

我们的新CPU程序使用变量zeroFlag作为零标志。这是一个布尔变量，这意味着像它只能有两个值，true或false，1或0。

这是新的指令集：

我本可以添加一些寄存器或堆栈来存储数据，可能会在将来的版本中这样做，但是为了简单起见，我只做了一个A累加器。您可以在其中存储数字或向其中添加数字，还可以增加或减少内存位置的内容，因此实际上您可以使用任意数量的内存位置作为变量或寄存器。

当开发这个程序时，可能会添加从累加器中减去数字的功能，以及将累加器存储在内存位置以及直接存储和相加数字的功能。

我们没有在乘法程序中使用上面的所有指令。下面是将5累加6次实现5乘6的程序：

它将数字5放到累加器中。它通过在内存的下一位中指定的存储位置中查找数字5：告诉CPU从存储位置8中获取数字。

接下来，它会将位置9的内容减1。这样可以跟踪我们添加了多少个5。

如果零标志未设立，则存储器位置4中的指令告诉它跳回到位置0 。它将继续执行此操作，直到在存储位置9达到零时设置零标志为止。

接下来，它使用显示屏底部一行的LED将结果（即累加器中的数字）输出为二进制数。然后，它到达HALT指令，停止解码和执行任何其他指令或数据，

时钟速度是多少？

我的micro:bit CPU没有用时钟来获取指令，而是依靠您按下按钮B来逐步执行程序。按下按钮A，将CPU置于执行模式，这样它不仅会在第一行LED上显示内存内容，还将执行任何指令。

可以在MakeCode的模拟器中模拟运行。按下按钮A进入程序执行模式，启动后您会听到高音。继续按下按钮B，您会看到它在相同的位置循环 -- 每次它都会向累加器加5，并将存储位置9减少1。累加5六次，就是5 x 6 = 30。当存储位置9达到0时，它在显示屏的下一行以及到达暂停指令时以二进制形式显示5×6的结果并发出低音。

你可以继续按下按钮B，但程序不会执行 —— 程序运行指示灯熄灭，它不会再解码或执行任何指令。

下面是它的代码 – 相当复杂的程序，但是我尝试在可能的地方使用函数，使它更易于理解。