基于Verilog设计8位碳纳米管CPU并实现软硬件计算机系统.zip

这是我研究生期间做的一个项目——碳纳米管计算机。然而此项目暂时告一段落，后续的研究将不再以此为基础，但具有一定的参考价值。 # 项目背景 2013 年，斯坦福大学研制出了世界上第一个碳纳米管计算机系统，该系统由 178 个碳纳米管晶体管（CNTFET，Carbon-nontube Field-effect-transistor）组成。这一个只包含一条 ``SUBNEG`` 指令（subtract and branch if negative）的单指令计算机系统。这个 CNTFET 计算机是一个试验性的成果，只能执行 1 位的操作。当然，也不存在显示器和键盘。 在摩尔定律即将失效的今天，基于硅的集成电路几乎已经到达其工艺的极限，此时集成电路产业迫切需要一种新型材料来打破产业的瓶颈。这样一款碳纳米管计算机的出现时极具里程碑意义的。因此，该研究成果的相关论文也被 Nature 所收录。 # 项目介绍 项目目标：实现一个相对完整的计算机系统，用户可以在该系统上运行自己编写的程序。当然，系统所使用的 CPU 则是使用碳纳米管的相关工艺制造而成的。 该系统所使用的 CPU 的指令系统和微结构由我和一个博士师弟设计，由另一团队进行物理实现。此外，我负责设计并实现该计算机系统的完整结构，包括软硬件协同设计与实现。 ## 整体结构 如下图所示，该系统主要由以下三部分组成：  整个系统由五大部分组成： - Carbon Core:采用碳纳米管实现的 CPU。 - Coordinator:采用 FPGA 实现，其辅助 Carbon Core CPU 完成了指令和数 据存储，产生所需时钟，并完成与输入输出控制 CPU 异步通信等功能。 - External Controller:使用树莓派(Raspberry Pi)作为输入输出控制 CPU， 其上运行 Linux 操作系统。 - Monitor:显示器，用户获得系统信息的方式。 - Keyboard:键盘，用户输入命令的方式。 ### Carbon Core **指令系统** 该系统的 CPU 以世界上第一个 8 位处理器 Intel 8008 的设计为参考，针对碳纳米管 CPU 制造技术特点进行了裁剪和优化。CPU 的指令系统如下表所示： | 助记符 | 指令编码 | 指令描述 | | :-------- | :-------: | :------------------------- | | MOV C | 0000 0000 | acc = C | | MOV [C] | 0000 0001 | acc = DRAM[C] | | MOVn | 0000 0101 | DRAM[C = acc | | ADD C | 0000 1000 | acc = acc + C | | ADD [C] | 0000 1001 | acc = acc + DRAM[C] | | ADDn [C] | 0000 1101 | DRAM[C] = acc + DRAM[C] | | SUB C | 0001 0000 | acc = acc - C | | SUB [C] | 0001 0001 | acc = acc - DRAM[C] | | SUBn [C] | 0001 0101 | DRAM[C] = acc - DRAM[C] | | RSB C | 0001 1000 | acc = C - acc | | RSB [C] | 0001 1001 | acc = DRAM[C] - acc | | RSBn [C] | 0001 1101 | DRAM[C] = DRAM[C] - acc | | DATASEG C | 0010 1000 | DATASEG = C | | INSTSEG C | 0010 1001 | INSTSEG = C | | JR C | 0010 1100 | PC = acc, INSTSEG = C | | B C | 0011 0000 | PC = PC + C | | BZ C | 0011 0001 | 如果 acc = 0，PC = PC + C | | BNZ C | 0011 0010 | 如果 acc != 0，PC = PC + C | | END | 0011 1111 | 停机操作 | **微体系结构** 如下图所示为该 CPU 的为体系结构。其中包括算术逻辑单元 ALU、指令译码器 DEC、程序计数器 PC、分支判断逻辑等。CPU 由两个同频不同象的时钟控制运行。  ### Coordinator 光有 CPU 是无法运行程序的，因此，需要为其定制设计一个外围的辅助电路。如下图所示为辅助电路模块 Coordinator 的内部实现，主要包含了 7 大部件： - Clock Generator：时钟发生器，时钟源来自 FPGA 时钟源，向 Decoder 和 Carbon Core CPU 提供时钟。 - Decoder：辅助 Carbon Core CPU 进行译码、寻址、读写 RAM。 - Main Controller：传递外部控制器的控制信号，从而可能告知 Decoder 和 Carbon Core CPU；此外，在捕获到 END 指令后会向外部控制器发送程序运行完毕信号。 - IRAM Controller：控制 Decoder 对 IRAM 的读操作。 - DRAM Controller：控制 Decoder 对 DRAM 的读写操作。 - IRAM：一个包含 256 个双字节存储单元的 RAM，用于存储指令，内部包含基于 I2C 的指令收发协议。 - DRAM：一个包含 256 个单字节存储单元的 RAM，用于存储数据，内部包含基于 I2C 的数据收发协议。  ### Raspberry 项目使用树莓派作为外部控制器，在树莓派上进行编程，目前只能进行汇编编程。当然，程序需要遵循 Carbon Core CPU 的指令系统。使用我们编写的一个简单的汇编器进行编译，通过控制程序即可让 Carbon Core CPU 执行你所编写的程序。 ``raspberry-host/mainController.cpp`` 文件包含整个系统软件控制程序的入口函数。 **编译** 直接运行 ``rasberry-host`` 目录下的 ``build.sh`` 脚本即可编译控制程序： ```bash $ ./build.sh ``` **运行** 如果想要运行整个系统，则需要搭建相关的电路系统，并使用 FPGA 实现 ``sparntan6-fpga`` 目录中的硬件设计。项目还提供了碳纳米管 CPU 的硬件设计，普通用户虽然无法使用碳纳米管来实现该 CPU，但是可以使用 FPGA 来实现。当然，还需要树莓派、显示器、键盘才能让整个系统运行起来。 当系统搭建完毕之后，即可运行以下命令： ```bash $ sudo ./mainController > run.log ``` 由于系统的运行涉及到树莓派 GPIO 的初始化做操，因此需要 root 权限才能正确运行该系统。另外，运行生成的 ``run.log`` 文件记录系统执行程序时的相关信息。 ## 其他补充 ### 电平转换 由于 Carbon Core 的工作电压是 2V，而我们的树莓派、FPGA 的工作电压均为 5V，所以在协同工作时需要加入电平转换模块。如下图所示，便是我们设计的电平转换电路。  ### 系统展示   ### 碳纳米管 CPU