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

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

wyan/cpu