状态机基本上与系统所有的组件都连接到一起了，因为上面所说的所有动作的执行，都需要状态机的控制，状态机其实就是由一部分触发器构成的记忆电路和另外一部 分组合逻辑构成的次态译码电路构成，还有根据当前状态和输入进行译码的部分用于控制各个部件，下面是教科书上的典型FSM结构：

而我们用的状态机状态转移图如下：

因为这个处理器设计的很简单，所以没有出现很多状态，当处理器经历完以上的状态之后，处理器就执行完了一条指令。

有的CISC的处理器用微指令进行控制，作用和状态机相近，这种结构出现在一些比较古老的处理器上，因为那个时候的设计工具和方法没有现在的先进，所以往往 改动硬件是困难的和高成本的，所以用微指令的话，做好了硬件的结构，要是需要改动只要修改微指令就好了，而现在的电子技术很发达，设计工具也很完备，所以 就有很多直接通过硬连线实现的处理器。

好马配好鞍，有了处理器，我们就得给它配上一个好的程序，下面我们就用自己设计的处理器进行求和，从1加到100，因为我们没有设计编译器，也没有设计汇编器，所以程序只能用机器码写出，示例程序如下：

我们不妨先写出程序的汇编代码：

mov ［ADDR］，r0；r0 ＝ 0

mov r1，100

lop：add r2，r1

sub r1，1

cmp r1，0

jz ext

mov r4，4

jmp r4（lop）

ext：mov ［ADDR］，r2

jmp ＄

先将内存中存放数据的地址清零，这样才能存放等下送来的结果，然后将r1寄存器存入循环次数（也就是求和的上限）。然后再将r1的值加到r2中来，r2其实就是放求和的寄存器，最后我们会将r2中的值送到内存中的某个地址存放的。

然 后将r1减去1，看看是否为0？如果为0则说明求和结束了，如果不是0则说明还要继续，结束后程序就跳到ext部分将结果存放到内存中某个地址（例子中给 的是49152也就是二进制的1100000000000000b），最后jmp ＄是为了让程序停在这一行，防止程序跑飞（跑飞的程序危害很大！有可能吧数据当代码或者把代码当数据！）

转换成VerilogHDL语言如下：

module memory

（

input ［15：0］ addr，

inout ［15：0］ data，

input rw

）；

reg ［15：0］ data＿ram［0：16＇b1111＿1111＿1111＿1111］；

integer i；

initial begin

for （i ＝ 0； i ＜＝ 16＇b1111＿1111＿1111＿1111； i ＝ i ＋ 1）

data＿ram［i］ ＝ ＄random（）；

data＿ram［0］ ＝ 16＇b1000000100000000； ／／mov ［ADDR］，r0；r0 ＝ 0

data＿ram［1］ ＝ 16＇b1100000000000000； ／／ADDR

data＿ram［2］ ＝ 16＇b1000000010001000； ／／mov r1，100

data＿ram［3］ ＝ 100； ／／100

／／data＿ram［2］ ＝ 16＇b1110011001000000；

data＿ram［4］ ＝ 16＇b0010000100010001； ／／lop：add r2，r1

data＿ram［5］ ＝ 16＇b1110000011001000； ／／sub r1，1

data＿ram［6］ ＝ 16＇b0000000000000001； ／／1

data＿ram［7］ ＝ 16＇b1110000000001000； ／／cmp r1，0

data＿ram［8］ ＝ 16＇b0000000000000000； ／／0

data＿ram［9］ ＝ 16＇b1110011010000000； ／／jz ext

data＿ram［10］ ＝ 16＇b0000000000000011； ／／＋3 offset（ext）

data＿ram［11］ ＝ 16＇b1000000010100000；／／mov r4，4

data＿ram［12］ ＝ 16＇b0000000000000100；

data＿ram［13］ ＝ 16＇b0110011001100000；／／jmp r4（lop）

data＿ram［14］ ＝ 16＇b1000000100000010；／／ext：mov ［ADDR］，r2

data＿ram［15］ ＝ 16＇b1100000000000000；／／ADDR

data＿ram［16］ ＝ 16＇b1110011001000000；／／jmp ＄

data＿ram［17］ ＝ 16＇b1111111111111110；／／－2 offset（＄）

／＊data＿ram［0］ ＝ 16＇b1000000010000000； ／／mov r0，imm

data＿ram［1］ ＝ 16＇b0011111111111111； ／／imm

data＿ram［2］ ＝ 16＇b0000000001111000； ／／mov r7，r0

data＿ram［3］ ＝ 16＇b1000000010011000； ／／mov r3，0

data＿ram［4］ ＝ 16＇b0000000000000000；

data＿ram［5］ ＝ 16＇b1000000010100000； ／／mov r4，code of jmp r5

data＿ram［6］ ＝ 16＇b0110011001101000； ／／jmp r5

data＿ram［7］ ＝ 16＇b0000000101011100； ／／mov ［r3］，r4

data＿ram［8］ ＝ 16＇b1000000011110000； ／／mov r6，［0］

data＿ram［9］ ＝ 16＇b0000000000000000； ／／［0］

data＿ram［10］＝ 16＇b1000000100000110； ／／mov ［255］，r6

data＿ram［11］＝ 16＇b0000000011111111；

data＿ram［12］＝ 16＇b0110011001011000； ／／jmp r3

＊／

end

always ＠ （addr or rw or data）

if （rw）

data＿ram［addr］ ＝ data；

assign data ＝ rw ？ 16＇hzzzz ： data＿ram［addr］；

endmodule

设计中CPU外围还需要一个内存设备（Memory），我用HDL对其建模，初始化的时候每个内存地址上对应的数据都初始化为随机的，然后只有从0开始的一系列地址被初始化为我写的代码，机器码对应的汇编指令在注释中已经给出。

然后是结果，结果应该是r2从0变化到5050（1＋2＋3＋．．．．．．＋100＝5050）

而r1则从100变化到0，变化到0后程序将进入死循环，停止在jmp ＄那一条。这是仿真开始的时候：

大家可以看到初始化后，d0～d7都变成了0，这是r0～r7寄存器的Q端，而state＿current和state＿next则是状态机的现态和状态机 的次态，cpu的各个部件都通过这个状态机受到控制。状态名出现的顺序和上面的FSM Viewer的连线顺序是一样的。

而且大家可以看到，d2从0变化到了0x64也就是十进制100，说明已经执行了第一次加法了。

再来看看仿真结束：

这时候d1变化到了0而d2变化到了0x13ba（十进制的5050），说明程序已经在我们设计的处理器里面运行并且成功的得出了结果！

最后给出一些我用到的指令（跟x86的很像）：

add dst，src 将src和dst相加并且送到dst寄存器中

mov ［addr］，src 将src的值送到以addr位地址的内存单元

sub dst，src 将dst减去src并且送到dst中去

cmp dst，src 将dst减去src 然后不送到dst中 只改变标志位

jz dst 当zf＝1时（即上次的算术操作结果为0）则跳转到dst中去

最后再提一下：

我是用synplify综合的电路，然后用debussy＋modelsim仿真的。