HRM Architecture Design
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Human Resource Machine架构CPU设计
简介
人力资源机器(Human Resource Machine)是一款手机编程游戏,玩家可通过指令操作主角员工从传送带取、放箱子(数字)进行运算,完成指定任务。游戏截图如上图所示。
该款游戏实质像极了汇编语言。在学完计组后,我们出于兴趣进行了基于该游戏的CPU架构的设计。
我们的设计包括以下内容:
— HRM架构指令集
— 基于HRM架构的CPU,支持异常处理
— HRM指令汇编器
指令集
指令集架构包括:
— 2条IO指令 (INBOX, OUTBOX)
— 6条顺序运算指令 (COPYFROM, COPYTO, ADD, SUB, BUMPUP, BUMPDN)
— 3条跳转指令 (JUMP, JUMPZ, JUMPN)
— 若干内核态指令 (ERET, MFCAUSE, MTCAUSE, etc.).
所有指令被分为N指令、J指令和S指令三类。
指令集基本复现了游戏所有原有指令,并增加了异常处理及内核区内存访问的内核态指令。
指令集完整设计参见:https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/blob/master/Documentation/instruction-set.md
CPU
出于更多功能而非性能的考虑,处理器设定为16位RISC单周期CPU,并带有CP0协处理器,支持同步异常的处理。
下图为一个早期版本的电路设计(可在https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/tree/master/Circuit中查看)
CPU中仅有一个寄存器,以模拟游戏中的主角员工。内存用以模拟游戏中地面上的box存放位置。
CPU设计参见:https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/blob/master/Documentation/cpu%20modules%20design.md
汇编器
此链接包括python实现的汇编器及介绍文档:https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/tree/master/Assembler
汇编器支持由汇编码向机器码的转换,并支持定义宏、设定跳转标签、分配数据空间、内存空间设定。
为了使得汇编程序可以在现有汇编器的模拟环境(例如MARS)上运行,该汇编器同样支持HRM汇编向MIPS的指令转换。
物理内存映射
内存没有经过虚存映射进行管理,程序可以直接对物理内存进行访问,通过硬件设定权限异常来防止对越界范围内存的读写操作。
由于指令集的架构局限,内存空间为16位编址,其中低2^12字节区域属于用户区域,其余部分为内核区域。
用户区和内核区均包含数据段和代码段,其中内核代码段包括异常处理程序exception handler。
此外内核区包括IO设备可读写的内存区域,用于inbox、outbox指令的数据传输。
受限于指令集无法支持立即数的限制,内存中设定了静态地址区域存放常用的常数,以方便用户和内核进行运算操作。
内存映射参见:https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/blob/master/readme.md
异常处理
HRM架构CPU支持算术溢出、内存为空(模拟游戏设定)、权限异常、IOtrap等异常,通过协处理器CP0进行捕获和状态保存。
参考了MIPS架构的异常分派机制,在异常处理程序中根据异常类型进行分派并单独处理。
异常处理参见:https://github.com/wzk1015/HRM-Architecture/blob/master/Documentation/exceptions%20and%20cp0.md
该文档也包括一个示例的异常处理程序,可以对HRM的异常机制以及汇编指令有初步的了解。