Building a CPU with custom ISA and emulator

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Overview

Architecture

• 16 bit instructions
• 16 bit registers

CPU flags register

 15 ... 8 7 ... 3 2 1 0
+-----+---------+-----+----+-----------+---+---+---+---+
| INT | ... | HLT | BC | ... | C | O | N | Z |
+-----+---------+-----+----+-----------+---+---+---+---+

• INT : Interrupt flag, SET when handling an interrupt
• HLT : CPU is halted
• BC : Skip next branch if set (possibly to be removed)
• C : Carry bit from last operation
• O : Last operation caused an overflow
• N : Last operation's result was negative
• Z : Last operation's result was zero

Memory model

For now, flat 16-bit address space.

Instruction Set

Instruction structure

15 8 7 0
+-----------------+----------------+
| opcode | param |
+-----------------+----------------+

Addressing modes

Register direct, register indirect, some sort of indexed addressing. Basic immediate addressing.

Instructions required

Load / Store

• LOAD to register from register
• LOAD to register from register indirect
• LOAD to register from immediate 4-bit
• LOAD to register from register indirect plus index
• STORE to memory from register
• STORE to memory from immediate 4-bit
• STORE to memory from register indirect plus index

Flow control

• JMP (unconditional jump) * absolute and relative * immediate and register
• Conditional jump (branch)
• Interrupt
• Halt

Conditional jumps

• Equal / Zero (Z=1)
• Not equal / not zero (Z=0)
• Below / Carry (C=1)
• Below or equal (C=1 || Z=1)
• Above (C=0 && Z=0)
• Above or equal / Not carry (C=0)
• Less (N != O)
• Less or equal ((N != O) || Z=1)
• Greater ((N == O) && Z=0)
• Greater or equal ((N == O) || Z=1)
• Overflow (O=1)
• Not overflow (O=0)
• Negative (N=1)
• Not negative (N=0)

0000 No condition 0001 EQ 0010 B 0011 BE 0100 L 0101 LE 0110 N 0111 O

1000 --- 1001 NEQ 1010 AE 1011 A 1100 G 1101 GE 1110 NN 1111 NO

Arithmetic / Logic

• ADD / SUB with and without carry
• AND / OR / NOT / XOR register and immediate
• Shift left / right, signed / unsigned
• Rotate left / right, signed / unsigned
• Comparisons

Opcodes

 x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 xA xB xC xD xE xF
0x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
1x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
2x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
3x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
4x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
5x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
6x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
7x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
8x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
9x : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Ax : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Bx : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Cx : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Dx : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Ex : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt,
Fx : _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt, _halt

Tests

I am using the Unity framework under the MIT License: https://github.com/ThrowTheSwitch/Unity