MIPS CPU(处理器)的设计
一、MIPS指令
1.指令格式
1.1 R型指令
（1）R型指令格式
| 000000 (op) | Rs | Rt | Rd | shamt | funct |
|---|---|---|---|---|---|
| 6bits | 5bits | 5bits | 5bits | 5bits | 6bits |
注意： 该类型指令操作数和保存结果均通过寄存器进行。
| 操作 | 含义 |
|---|---|
| op | 操作码，所有R型指令都全为0 |
| rs | 寄存器编号，对应第一个源操作数 |
| rt | 寄存器编号，对应第二个源操作数 |
| rd | 寄存器编号，保存结果 |
| shamt | 常数，在移位指令中使用 |
| funct | 功能码，指定指令的具体功能 |
（2）具体R型指令
注意: R型指令根据操作的寄存器数可以分为三种不同类型。
【1】带有3个寄存器
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 11] | [10 : 6] | [5 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| add | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100000 | 寄存器加 |
| sub | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100010 | 寄存器减 |
| and | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100100 | 寄存器与 |
| or | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100101 | 寄存器或 |
| xor | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100110 | 寄存器异或 |
$rd = $rs op $rt
【2】带有2个寄存器
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 11] | [10 : 6] | [5 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| sll | 000000 | 00000 | rt | rd | sa | 100000 | 逻辑左移 |
| srl | 000000 | 00000 | rt | rd | sa | 000010 | 逻辑右移 |
| sll | 000000 | 00000 | rt | rd | sa | 000011 | 算术右移 |
$rd = $rt shift sa
【3】带有1个寄存器
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 11] | [10 : 6] | [5 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| jr | 000000 | rs | 00000 | 00000 | 00000 | 001000 | 寄存器跳转 |
jr rs;PC = rs
1.2 I型指令
（1）I型指令格式
| OP | Rs | Rt | imm（立即数） |
|---|---|---|---|
| 6bits | 5bits | 5bits | 16bits |
注意： 操作数中涉及立即数，结果保存到寄存器
| 操作 | 含义 |
|---|---|
| op | 标识指令的操作功能 |
| rs | 第一个源操作数，是寄存器操作数 |
| rt | 目的寄存器编号，用来保存运算结果 |
| imm | 第二个源操作数，立即数 |
（2）具体I型指令
注意： I型指令存在4种不同的类型
【1】面向运算的I型指令
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| addi | 001000 | rs | rt | imm | 寄存器和立即数“加” |
| andi | 001100 | rs | rt | imm | 寄存器和立即数“ |
| ori | 001101 | rs | rt | imm | 寄存器和立即数“或” |
| xori | 001110 | rs | rt | imm | 寄存器和立即数“异或” |
第一条指令是对立即数进行符号拓展，其他都是0拓展
addi rt, rs, imm;
$rt = $rs op E(imm)
【2】面向访存的I型指令
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| lw | 100011 | rs | rt | imm | 从存储器种读取数据 |
| sw | 101011 | rs | rt | imm | 把数据保存到存储器 |
MIPS 32中唯一两条访问存储器的指令（RISC）
lw rt, imm(rs) #rt = mem [ rt = mem[rt=mem[rs+E(imm)]
sw rt, imm(rs) #mem [ mem[mem[rs+E(imm)] = $rt
【3】面向数位设置的I型指令
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| lui | 001111 | 00000 | rt | imm | 设置寄存器的高16位 |
lui rt, imm #$rt = imm<<16(空位补0）
【4】面向条件转移（分支）的I型指令
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 21] | [20 : 16] | [15 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| beq | 000100 | rs | rt | imm | 寄存器相等则转移 |
| bne | 000101 | rs | rt | imm | 寄存器不相等则转移 |
beq rs, rt, imm #if(rs = = rt) PC=PC+E(imm)<<2
bne rs, rt, imm #if(rs ! = rt) PC=PC+E(imm)<<2
标准的PC相对寻址方式
1.3 J型指令
（1）J型指令格式
| OP | 立即数 |
|---|---|
| 6bits | 26bits |
（2）具体J型指令
| 指令 | [31 : 26] | [25 : 0] | 指令功能 |
|---|---|---|---|
| j | 000010 | address | 无条件跳转 |
| jal | 001100 | address | 调用与联接 |
j address;
$ PC=($PC+4)H4 U (address<<2)
jal address;
$ra = $PC+4(保存返回地址)
$ PC=($PC+4)H4 U (address<<2)
2.指令功能
MIPS 指令集(共31条）
| 助记符 | 指令格式 | 示例 | 示例含义 | 操作及其解释 | |||||
| Bit # | 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 | |||
| R-type | op | rs | rt | rd | shamt | func | |||
| add | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100000 | add $1,$2,$3 | $1=$2+$3 | rd <- rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 |
| addu | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100001 | addu $1,$2,$3 | $1=$2+$3 | rd <- rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数 |
| sub | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100010 | sub $1,$2,$3 | $1=$2-$3 | rd <- rs - rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 |
| subu | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100011 | subu $1,$2,$3 | $1=$2-$3 | rd <- rs - rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数 |
| and | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100100 | and $1,$2,$3 | $1=$2 & $3 | rd <- rs & rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 |
| or | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100101 | or $1,$2,$3 | $1=$2 | $3 | rd <- rs | rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 |
| xor | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100110 | xor $1,$2,$3 | $1=$2 ^ $3 | rd <- rs xor rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(异或） |
| nor | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100111 | nor $1,$2,$3 | $1=~($2 | $3) | rd <- not(rs | rt) ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(或非） |
| slt | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 101010 | slt $1,$2,$3 | if($2<$3) $1=1 else $1=0 | if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 |
| sltu | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 101011 | sltu $1,$2,$3 | if($2<$3) $1=1 else $1=0 | if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 (无符号数） |
| sll | 000000 | 00000 | rt | rd | shamt | 000000 | sll $1,$2,10 | $1=$2<<10 | rd <- rt << shamt ；shamt存放移位的位数， 也就是指令中的立即数，其中rt=$2, rd=$1 |
| srl | 000000 | 00000 | rt | rd | shamt | 000010 | srl $1,$2,10 | $1=$2>>10 | rd <- rt >> shamt ；(logical) ，其中rt=$2, rd=$1 |
| sra | 000000 | 00000 | rt | rd | shamt | 000011 | sra $1,$2,10 | $1=$2>>10 | rd <- rt >> shamt ；(arithmetic) 注意符号位保留 其中rt=$2, rd=$1 |
| sllv | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 000100 | sllv $1,$2,$3 | $1=$2<<$3 | rd <- rt << rs ；其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1 |
| srlv | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 000110 | srlv $1,$2,$3 | $1=$2>>$3 | rd <- rt >> rs ；(logical)其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1 |
| srav | 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 000111 | srav $1,$2,$3 | $1=$2>>$3 | rd <- rt >> rs ；(arithmetic) 注意符号位保留 其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1 |
| jr | 000000 | rs | 00000 | 00000 | 00000 | 001000 | jr $31 | goto $31 | PC <- rs |
| I-type | op | rs | rt | immediate | |||||
| addi | 001000 | rs | rt | immediate | addi $1,$2,100 | $1=$2+100 | rt <- rs + (sign-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2 | ||
| addiu | 001001 | rs | rt | immediate | addiu $1,$2,100 | $1=$2+100 | rt <- rs + (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2 | ||
| andi | 001100 | rs | rt | immediate | andi $1,$2,10 | $1=$2 & 10 | rt <- rs & (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2 | ||
| ori | 001101 | rs | rt | immediate | ori $1,$2,10 | $1=$2 | 10 | rt <- rs | (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2 | ||
| xori | 001110 | rs | rt | immediate | xori $1,$2,10 | $1=$2 ^ 10 | rt <- rs xor (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2 | ||
| lui | 001111 | 00000 | rt | immediate | lui $1,100 | $1=100*65536 | rt <- immediate*65536 ；将16位立即数放到目标寄存器高16 位，目标寄存器的低16位填0 | ||
| lw | 100011 | rs | rt | immediate | lw $1,10($2) | $1=memory[$2 +10] | rt <- memory[rs + (sign-extend)immediate] ；rt=$1,rs=$2 | ||
| sw | 101011 | rs | rt | immediate | sw $1,10($2) | memory[$2+10] =$1 | memory[rs + (sign-extend)immediate] <- rt ；rt=$1,rs=$2 | ||
| beq | 000100 | rs | rt | immediate | beq $1,$2,10 | if($1==$2) goto PC+4+40 | if (rs == rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<<2 | ||
| bne | 000101 | rs | rt | immediate | bne $1,$2,10 | if($1!=$2) goto PC+4+40 | if (rs != rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<<2 | ||
| slti | 001010 | rs | rt | immediate | slti $1,$2,10 | if($2<10) $1=1 else $1=0 | if (rs <(sign-extend)immediate) rt=1 else rt=0 ； 其中rs＝$2，rt=$1 | ||
| sltiu | 001011 | rs | rt | immediate | sltiu $1,$2,10 | if($2<10) $1=1 else $1=0 | if (rs <(zero-extend)immediate) rt=1 else rt=0 ； 其中rs＝$2，rt=$1 | ||
| J-type | op | address | |||||||
| j | 000010 | address | j 10000 | goto 10000 | PC <- (PC+4)[31…28],address,0,0 ；address=10000/4 | ||||
| jal | 000011 | address | jal 10000 | $31<-PC+4; goto 10000 | $31<-PC+4；PC <- (PC+4)[31…28],address,0,0 ；address=10000/4 |
3.指令功能的RTL描述
补：寄存器传送语言(RTL)
- 用R[r]表示寄存器堆中寄存器r的内容。
- 用M[addr]表示读取存储单元addr的内容
- 传送方向用←表示，传送源在右，目的在左。
- 程序计数器PC直接用PC表示其内容。
| 指令 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|
| add rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]+R[rt] | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相加，若溢出则异常处理，否则结果送rd |
| sub rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt] | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相减，若溢出则异常处理，否则结果送rd |
| subu rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt] | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相减，结果送rd(不进行溢出判断) |
| slt rd,rs,rt | if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0 | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中按带符号整数来判断两数大小，小于则rd为1，反之为0 |
| sltu rd,rs,rt | if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0 | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中按无符号整数来判断两数大小，小于则rd为1，反之为0 |
| ori rt,rs,imm16 | R[rt]←R[rs]|ZeroExt(imm16) | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行零扩展，然后两者按位或，结果送rt |
| addiu rt,rs,imm16 | R[rt]←R[rs]+SignExt(imm16) | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果送rt |
| lw rt,rs,imm16 | Addr←R[rs]+SignExt(imm16) R[rt]←M[Addr] | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果作为访存地址Addr，从Addr中取数并送rt |
| sw rt,rs,imm16 | Addr←R[rs]+SignExt(imm16) M[Addr]←R[rt] | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果作为访存地址Addr，将rt送Addr中 |
| beq rs,rt,imm16 | Cond←R[rs]-R[rt] if(Cond eq 0) PC←PC+4+(SignExt(imm16)*4) | 从PC所指的内存单元中取指令，并加4.做减法以比较rs和rt中内容的大小，并计算下一条指令的地址，然后修改PC |
| j target | PC<31: 2>←PC<31: 28> || target<25: 0> | 第一步无需进行PC+4而直接计算目标地址，符号||表示拼接 |
4.本实验的具体的指令
(1)指令：addu
指令名称：无符号加
指令格式：addu rd,rs,rt
指令功能：
IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）
R[rd] ←R[rs] + R[rt]；从rs、rt 所指的寄存器中取数后相加，结果送rd 所指的寄存器中
PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100001 |
(2)指令：subu
指令名称：无符号减
指令格式：subu rd,rs,rt
指令功能：
IM[PC];从PC所指的内存单元中取指令R[rd] ←R[rs]- R[rt];从rs、rt 所指的寄存器中取数后相减，结果送rd 所指的寄存器中PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100011 |
(3)指令：ori
指令名称：或立即数
指令格式：ori rt,rs,imm16
指令功能：
IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）
R[rt] ← R[rs] or ZeroExt(imm16)；立即数零扩展，并与rs内容做“或”运算
PC ← PC + 4 ；计算下地址（公共操作，取指部件完成）
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 001101 | rs | rt | imm16 |
(4)指令：lw
指令名称：加载字
格式：lw rt, imm16(rs)
指令功能：
IM[PC];从PC所指的内存单元中取指令addr ← R[rs] + SignExt(imm16) ; 计算数据地址 (立即数要进行符号扩展)R[rt] ← DM[addr]; 从存储器中取出数据，装入到寄存器中
PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 100011 | rs | rt | imm16 |
(5)指令：sw
指令名称：存储字
指令格式：sw rt, imm16(rs)
指令功能：
IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）
addr ← R[rs] + SignExt(imm16) ；计算存储单元地址（符号扩展！）
DM[addr] ← R[rt] ； 寄存器rt中的内容存到内存单元中
PC ← PC + 4； 计算下地址（公共操作，取指部件完成）
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 101011 | rs | rt | imm16 |
(6)指令：beq
指令名称：等于转移
指令格式：beq rs,rt, imm16
指令功能：
IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）Cond ← R[rs] - R[rt] ；做减法比较rs和rt中的内容if (COND == 0) ；计算下地址（根据比较结果，修改PC）
PC ← PC + 4 + ( SignExt(imm16) * 4 )
else
PC ← PC + 4
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000100 | rs | rt | imm16 |
(7)指令：j
指令名称：跳转并链接
指令格式：j target < 25:0 >
指令功能：
IM[PC] ；取指令（公共操作，取指部件完成）
PC < 31:2 > ← PC < 31:28 > ， target < 25:0 > ；计算目标地址
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000010 | target < 25:0 > |
(8)指令：and
指令格式：and rd,rs,rt
指令功能：rd ←rs & rt
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100100 |
(9)指令：or
指令格式：or rd,rs,rt
指令功能：rd ←rs | rt
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100101 |
(10)指令：xor
逻辑异或
指令格式：xor rd,rs,rt
指令功能：rd ←rs ^ rt
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100110 |
(11)指令：nor
逻辑或非
指令格式：nor rd,rs,rt
指令功能：rd ←~(rs | rt )
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000000 | rs | rt | rd | 00000 | 100111 |
(12)指令：addiu
加无符号立即数
指令格式：addiu rt,rs,imm16
指令功能：rt ← rs+ (zero-extend)imm16
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 001001 | rs | rt | immediate |
(13)指令：andi
与立即数
指令格式：andi rt,rs,imm16
指令功能：rt ← rs& (zero-extend)imm16
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 001100 | rs | rt | immediate |
(14)指令：xori
异或立即数
指令格式：xori rt,rs,imm16
指令功能：rt ← rs ^ (zero-extend)imm16
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 001110 | rs | rt | immediate |
(15)指令：bne
不等于转移
指令格式：bne rs,rt, imm16
指令功能： if (rs != rt) PC ← PC+4 + (sign-extend)imm16<<2
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000101 | rs | rt | immediate |
(16)指令：jal
跳转并链接
指令格式：jal addr26
指令功能：$31<-PC+4；PC ←(PC+4)[31…28],addr26,0,0
指令编码：
| 31…26 | 25…21 | 20…16 | 15…11 | 10…6 | 5…0 |
|---|---|---|---|---|---|
| op | rs | rt | rd | shamt | func |
| 000011 | address |
二、数据通路的设计
以上的指令包括以下几种与指令有关的数据通路：
- 指令——寄存器组：R格式指令均为寄存器指令，需要指令提供寄存器地址
- 指令——运算单元（ALU）：运算指令由指令提供运算类型，同时提供参与运算的立即数和位移量
- 指令——存储器：load/store指令的寻址方式仅为寄存器偏移量寻址，需要指令提供立即数偏移量
- 指令——PC：J格式指令需要将指令中的立即数载入PC中
同时还有几种必备的与指令无关的数据通路：
-
寄存器组——运算单元（ALU）：寄存器组为运算单元提供操作数，运算结果存在寄存器组中
-
寄存器组——存储器：load/store指令的两端
-
寄存器组——PC：跳转指令与寄存器组有关
当使用哈弗结构时，数据通路框图如下所示：
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1.组合逻辑元件和存储元件
1.1 PC
(1)基本描述
PC是指令计数器，主要功能是完成输出当前指令地址并保存下一条指令地址。复位后，PC指向0x0000_3000，此处为第一条指令的地址。
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(2)模块接口
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| [31:2]NPC | I | 下条指令的地址 |
| PCWr | I | PC写使能 1：允许NPC写入PC内部寄存器 0：禁止NPC写入PC内部寄存器 |
| clk | I | 时钟信号 |
| rst | I | 复位信号。 1：复位 0：无效 |
| [31:2]PC | O | 30位指令存储器地址(最低2位省略) |
(3)功能定义
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 复位 | if rst=1，PC←0x0000_3000。 |
| 2 | 保存NPC并输出 | Clk上升沿。 if rst=0,PC←NPC。 |
(4)模块描述
module PC( clk, rst, PCWr, NPC, PC );input clk;input rst;input PCWr;input [31:2] NPC;output [31:2] PC;reg [31:2] PC;reg [1:0] tmp;always @(posedge clk or posedge rst) beginif ( rst ) {PC, tmp} <=32'h0000_3000;else if ( PCWr ) PC <= NPC;end
endmodule1.2 NPC
[Next PC – 下指令部件]
(1)基本描述
NPC是下条指令计数器，主要功能是计算下一条指令地址，NPCOp[1:0]决定如何计算NPC，与PC配合使用。
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(2)模块接口
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| PC[31:2] | I | 30位本条指令的地址(最低2位省略) |
| Imm[25:0] | I | 立即数(偏移量) |
| NPCOp[1:0] | I | 计算方式 |
| NPC[31:2] | O | 30位下一条指令地址(最低2位省略) |
(3)功能定义
| NPCOp | 功能 | 操作 |
|---|---|---|
| 00 | 顺序地址 | NPC ←PC + 1 |
| 01 | 计算B指令转移地址 | NPC ←PC +{ sign_ext(imm16) } |
| 10 | 计算J类指令转移地址 | NPC← {PC[31:28], imm26} |
| 11 | … | … |
(4)模块描述
module NPC( PC, NPCOp, IMM, NPC );input [31:2] PC;input [1:0] NPCOp;input [25:0] IMM;output [31:2] NPC;reg [31:2] NPC;always @(*) begincase (NPCOp){00}: NPC <= PC+1;{01}: NPC <= PC +{ {14{IMM[15]}},IMM[15:0] };{10}: NPC <= {PC[31:28], IMM[25:0] };default: ;endcaseend
endmodule 1.3 flopr模块（触发器）
(1)基本描述
存储器数据寄存器MDR、存储器地址寄存器MAR、暂存器A、暂存器B、ALU运算结果寄存器ALUOut是由flopr模块实例化，主要功能是数据缓冲，由带复位的D触发器构成。
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(2)模块接口
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| [WIDTH-1:0] d | I | 输入数据 |
| rst | I | 复位信号 |
| clk | I | 时钟信号 |
| [WIDTH-1:0] q | O | 输出数据 |
(3)功能定义
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 数据复位 | if rst=0, q←d |
| 2 | 数据缓冲 | if rst=1, q←0 |
(4)模块描述
module flopr(clk,rst,d,q);input clk;input rst;input [31:0] d;output [31:0] q;reg [31:0] q_r;always @(posedge clk or posedge rst) beginif ( rst ) q_r <=0;else q_r <=d;endassign q = q_r;
endmodule1.31 DM
[Data Memory – 数据内存]
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| addr | I | 读/写数据地址 |
| din | I | 内存写入总线 |
| wEn | I | 写使能信号 |
| clk | I | 时钟信号 |
| dout | O | 数据输出总线 |
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 写入数据 | 当写使能信号有效时，在每个时钟上升沿将写入总线的数据写进相应内存地址中 |
| 2 | 读出数据 | 将指定地址的数据通过数据输出总线进行输出 |
module dm_4k( addr, din, DMWr, clk, dout );input [9:0] addr;input [31:0] din;input DMWr;input clk;output [31:0] dout;reg [31:0] dmem[1023:0];always @(posedge clk) beginif (DMWr)dmem[addr] <= din;$display("dmem[0-4-16]=%8X, %8X, %8X", dmem[0], dmem[1], dmem[16]);end // end alwaysassign dout = dmem[addr];endmodule 1.32 IM
[Instruction Memory – 指令内存]
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| iaddr | I | 当前需要执行的指令地址 |
| ins | O | 指令输出 |
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 写入指令 | 使用 $readmemh 函数将 code.txt 中的指令写入指令内存中 |
| 2 | 读出指令 | 根据得到的指令地址从指令内存中读出相应的指令数据 |
module im_4k( addr, dout );input [9:0] addr;output [31:0] dout;reg [31:0] imem[1023:0];assign dout = imem[addr];endmodule 1.4 MUX
[Multiplexer – 选择器]
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| a | I | 缺省输入信号 |
| b | I | 选择输入信号 |
| ctrl_s | I | 选通控制信号 |
| dout | O | 选择器输出 |
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 缺省输出 | 当选通控制信号无效时，选择器输出缺省输入信号 |
| 2 | 选择输出 | 当选通控制信号有效时，选择器输出选择输入信号 |
module mux #(parameter WIDTH = 32) (a, b, ctrl_s, dout);input [WIDTH - 1:0] a;input [WIDTH - 1:0] b;input ctrl_s;output [WIDTH - 1:0] dout;assign dout = ctrl_s? b: a;endmodule // Multiplexer;
1.5 RF
[Register File – 寄存器堆]
(1)基本描述
RF主要功能是保存寄存器文件，并支持对通用寄存器的访问。
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(2)模块接口
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| A1 [4:0] | I | 需要读的寄存器1的地址 |
| A2 [4:0] | I | 需要读的寄存器2的地址 |
| A3 [4:0] | I | 需要写的寄存器的地址 |
| WD [31:0] | I | 需要写的寄存器的数据 |
| RFWr | I | 寄存器写使能端 0：寄存器不写 1：寄存器写 |
| clk | I | 时钟信号 |
| RD1 [31:0] | O | 需要读的寄存器1的数据 |
| RD2 [31:0] | O | 需要读的寄存器2的数据 |
(3)功能定义
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 读取通用寄存器 | 根据输入的RS、RT域的值，输出相应通用寄存器所存储的数据。 RD1←RF[A1]；RD2←RF[A2] |
| 2 | 写回通用寄存器 | 当RF写使能有效时，将待写的数据写入给定地址的通用寄存器中。 Clk上升沿时 if (RFWr) then RF[A3]←WD |
(4)模块描述
`define DEBUG 1
module RF( A1, A2, A3, WD, clk, RFWr, RD1, RD2 );input [4:0] A1, A2, A3;input [31:0] WD;input clk;input RFWr;output [31:0] RD1, RD2;reg [31:0] rf[31:0];integer i;initial beginfor (i=0; i<32; i=i+1)rf[i] <= 0;endalways @(posedge clk) beginif (RFWr)rf[A3] <= WD;`ifdef DEBUG$display("R[00-07]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", 0, rf[1], rf[2], rf[3], rf[4], rf[5], rf[6], rf[7]);$display("R[08-15]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[8], rf[9], rf[10], rf[11], rf[12], rf[13], rf[14], rf[15]);$display("R[16-23]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[16], rf[17], rf[18], rf[19], rf[20], rf[21], rf[22], rf[23]);$display("R[24-31]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[24], rf[25], rf[26], rf[27], rf[28], rf[29], rf[30], rf[31]);`endifend assign RD1 = rf[A1];assign RD2 =rf[A2];endmodule 1.6 EXT
[Extender – 扩展器]
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| imm16 | I | I-指令的16位立即数 |
| extOp | I | 扩展器控制信号 |
| dout | O | 扩展器输出总线 |
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 逻辑扩展 | 当控制信号无效时，对输入的16位立即数逻辑扩展为32位 |
| 2 | 算术扩展 | 当控制信号有效时，对输入的16位立即数算术扩展为32位 |
module ext (imm16, extOp, dout);input extOp;input [15:0] imm16;output reg [31:0] dout;always @ ( * ) begincase (extOp)0: dout = {16'h0000, imm16};// Logical Cal;1: dout = {{16{imm16[15]}}, imm16};// Arithmetic Cal;;endcaseend
endmodule // Extender;
1.7 IR
[指令寄存器]
(1)基本描述
IR主要功能是完成对来自IM的指令的缓冲。
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(2)模块接口
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| [31:0] im_dout; | I | 指令输入 |
| IRWr | I | 写使能信号 |
| rst | I | 复位信号 |
| clk | I | 时钟信号 |
| [31:0] instr; | O | 指令输出 |
(3)功能定义
| 序号 | 功能名称 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | 复位 | if rst=1, instr←0 |
| 2 | 缓冲 | if rst=0, instr←im_dout |
(4)模块描述
module IR (clk, rst, IRWr, im_dout, instr);input clk;input rst;input IRWr; input [31:0] im_dout;output [31:0] instr;reg [31:0] instr;always @(posedge clk or posedge rst) beginif ( rst ) instr <= 0;else if (IRWr)instr <=im_dout;end
endmodule 2.算术逻辑部件的设计（ALU）
Arithmetic Logic Unit – 算术逻辑单元
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11条目标指令对应的4种ALU操作
| 指令 | 功能 | 运算类型 |
|---|---|---|
| add rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]+R[rt] | 加(判溢出) |
| sub rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt] | 减(判溢出) |
| subu rd,rs,rt | M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt] | 减(不判溢出) |
| slt rd,rs,rt | if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0 | 减(不判溢出) 带符号整数比较大小 |
| sltu rd,rs,rt | if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0 | 减(不判溢出) 无符号整数比较大小 |
| ori rt,rs,imm16 | R[rt]←R[rs]|ZeroExt(imm16) | 按位或(不判溢出) |
| addiu rt,rs,imm16 | R[rt]←R[rs]+SignExt(imm16) | 加(不判溢出) |
| lw rt,rs,imm16 | Addr←R[rs]+SignExt(imm16) R[rt]←M[Addr] | 加(不判溢出) |
| sw rt,rs,imm16 | Addr←R[rs]+SignExt(imm16) M[Addr]←R[rt] | 加(不判溢出) |
| beq rs,rt,imm16 | Cond←R[rs]-R[rt] if(Cond eq 0) PC←PC+4+(SignExt(imm16)*4) | 减(判0) 加(不判溢出) |
| j target | PC<31: 2>←PC<31: 28> || target<25: 0> | 无须ALU运算 |
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RM5yzeOz-1642646412833)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\ALU1.png)]
| 信号名 | 方向 | 描述 |
|---|---|---|
| A [31:0] | I | 操作数A |
| B [31:0] | I | 操作数B |
| ALUCtrl[2:0] | I | 需要进行的运算 000：加法 001：减法 01l：与运算 110：或运算 |
| Zero | O | 两操作数是否相等 |
| C [31:0] | O | 运算结果 |
| ALUCtrl | 功能 | 操作 |
|---|---|---|
| ---- | A等于B? | Zero ← (A==B) ? 1 : 0 |
| 000 | 加 | C ← A + B |
| 001 | 减 | C ← A – B |
| 010 | 与 | C ←A & B |
| 110 | 或 | C ←A | B |
| … | … | … |
module alu (A, B, ALUOp, C, Zero);input [31:0] A, B;input [1:0] ALUOp;output [31:0] C;output Zero;reg [31:0] C;always @( A or B or ALUOp ) begincase ( ALUOp )`ALUOp_ADDU: C = A + B;`ALUOp_SUBU: C = A - B;`ALUOp_OR: C = A | B;//`ALUOp_AND: C = A & B;//`ALUOp_XOR: C = A ^ B;default: ;endcaseend // end always;assign Zero = (A == B) ? 1 : 0;endmodule 3. 单周期MIPS处理器数据通路
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ifS2BEVo-1642646412834)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\单周期CPU数据通路的设计.png)]
|
| C [31:0] | O | 运算结果 |
| ALUCtrl | 功能 | 操作 |
|---|---|---|
| ---- | A等于B? | Zero ← (A==B) ? 1 : 0 |
| 000 | 加 | C ← A + B |
| 001 | 减 | C ← A – B |
| 010 | 与 | C ←A & B |
| 110 | 或 | C ←A | B |
| … | … | … |
module alu (A, B, ALUOp, C, Zero);input [31:0] A, B;input [1:0] ALUOp;output [31:0] C;output Zero;reg [31:0] C;always @( A or B or ALUOp ) begincase ( ALUOp )`ALUOp_ADDU: C = A + B;`ALUOp_SUBU: C = A - B;`ALUOp_OR: C = A | B;//`ALUOp_AND: C = A & B;//`ALUOp_XOR: C = A ^ B;default: ;endcaseend // end always;assign Zero = (A == B) ? 1 : 0;endmodule 3. 单周期MIPS处理器数据通路
[外链图片转存中…(img-ifS2BEVo-1642646412834)]
