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支持 45 条 MIPS 指令的单周期处理器开发

时间：10-24来源：作者：点击数：

Abstract

支持 45 条 MIPS 指令的单周期处理器，不支持溢出。

ADDU, SUBU, AND, OR, XOR, NOR, SLT, SLTU; ADDIU, SLTI, ALTIU, ANDI, ORI, XORI, LUI; SLL, SRL, SRA, SLLV, SRLV, SRAV; LW, SW, LB, LBU, SB; BEQ, BNE, BGEZ, BGTZ, BLEZ, BLTZ; J, JR, JALR, JAL; MULT; MFHI, MFLO, MTHI, MTLO; MFC0, MTC0; SYSCALL, ERET.

Instruction Set

Total: 36 + 9

Status Ins Type op func ALUctr Compare Jump RegDst ALUSrcB ALUSrcA MemtoReg RegWr MemWr ImmExt CopWr ByteExt iaddrtoNPC ManInput_raddr ManInput_shf
supported addu 000000 100001 0000 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported subu 000000 100011 0001 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported and 000000 100100 0010 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported or 000000 100101 0011 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported xor 000000 100110 0101 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported nor 000000 100111 0100 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported slt 000000 101010 1011 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported sltu 000000 101011 1010 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported addiu 001001 x 0000 0 0 00 01 00 00 01 00 00 00 x 00    
supported slti 001010 x 1011 0 0 00 01 00 00 01 00 01 00 x 00    
supported sltiu 001011 x 1010 0 0 00 01 00 00 01 00 00 00 x 00    
supported andi 001100 x 0010 0 0 00 01 00 00 01 00 00 00 x 00    
supported ori 001101 x 0011 0 0 00 01 00 00 01 00 00 00 x 00    
supported xori 001110 x 0101 0 0 00 01 00 00 01 00 00 00 x 00    
supported lui 001111 x 0110 0 0 00 01 10 00 01 00 00 00 x 00 x 0x00000010
supported sll 000000 000000 0110 0 0 01 00 01 00 01 00 x 00 x 00    
supported srl 000000 000010 0111 0 0 01 00 01 00 01 00 x 00 x 00    
supported sra 000000 000011 1000 0 0 01 00 01 00 01 00 x 00 x 00    
supported sllv 000000 000100 0110 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported srlv 000000 000110 0111 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported srav 000000 000111 1000 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00    
supported lw 100011 x 0000 0 0 00 01 00 01 01 00 01 00 11 00    
supported sw 101011 x 0000 0 0 x 01 00 x 00 01 01 00 11 00    
supported lb 100000 x 0000 0 0 00 01 00 01 01 00 01 00 01 00    
supported lbu 100100 x 0000 0 0 00 01 00 01 01 00 01 00 00 00    
supported sb 101000 x 0000 0 0 00 01 00 x 00 01 01 00 10 00    
supported beq 000100 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported bne 000101 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported bgez 000001 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported bgtz 000111 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported blez 000110 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported bltz 000001 x x 1 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00    
supported j 000010 x x 0 1 x x x x 00 00 x 00 x 00    
supported jr 000000 001000 x 0 1 x x 00 00 00 00 x 00 x 00    
supported jalr 000000 001001 x 0 1 01 x 00 11 01 00 x 00 x 00    
supported jal 000011 x x 0 1 10 x x 11 01 00 00 00 x 00 11111  
Status Ins Type op func ALUctr Compare Jump RegDst ALUSrcB ALUSrcA MemtoReg RegWr MemWr ImmExt CopWr ByteExt iaddrtoNPC
supported mult 000000 011000 1001 0 0 x 00 00 x 00 00 x 00 x 00
supported mfhi 000000 010000 1101 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00
supported mthi 000000 010001 1110 0 0 x x 00 x 00 00 x 00 x 00
supported mflo 000000 010010 1100 0 0 01 00 00 00 01 00 x 00 x 00
supported mtlo 000000 010011 1111 0 0 x x 00 x 00 00 x 00 x 00
supported mfc0 010000 x x 0 0 00 x x 10 01 00 x 00 x 00
supported mtc0 010000 x x 0 0 00 00 x 00 00 00 x 01 x 00
supported syscall 000000 001100 x 0 1 x x x 00 00 00 x 01 x 01
supported eret 010000 011000 x 0 1 x x x 00 00 00 x 01 x 01

Modules

整个 CPU 分为 Datapath(数据通路) 和 Control(控制单元) 两大模块，其下共有 11 个子组件。

Datapath

PC

PC (Program Counter) – 指令计数器

PC 的主要功能是输出当前指令地址并保存下一条指令的地址，复位后，PC指向 0x0000_3000，这是第一条指令所在地址。

信号名 方向 描述
clk I 时钟信号
rst I 复位信号
niaddr I 下一条指令的地址
iaddr O 当前需要执行的指令地址
序号 功能名称 功能描述
1 复位 当复位信号有效时，PC被设置成0x0000_3000(ModelSim) / 0x0000_0000(On board)
2 保存 NPC 并退出 在每个时钟上升沿保存 NPC，并将其输出

NPC

NPC (Next PC) – 下指令部件

根据当前指令地址以及判断信号来计算下一指令地址。

信号名 方向 描述
iaddr I 当前需要执行的指令地址
branch I 分支信号
jump I 跳转信号
ins I 指令信号
jiaddr I 跳转地址
imm16 I I-指令的16位立即数
imm26 I J-指令的26位立即数
riaddr I 返回的当前指令地址
niaddr O 下一条指令的地址
序号 功能名称 功能描述
1 下一指令地址 将指令地址移至下一条指令
2 分支地址跳转 当分支信号和判零标志有效时，使用I-指令中的16位立即数做逻辑扩展，使其扩展成30位，再将地址乘4，得到需要跳转的分支地址并将其输出
3 绝对地址跳转 当跳转信号有效时，使用J-指令中的26位立即数，根据跳转指令类型将其进行不同种的拼接并将其输出
4 返回指令地址 将当前指令地址进行输出

DM

DM (Data Memeory)– 数据内存

数据内存，在程序运行中提供数据交换空间。

信号名 方向 描述
addr I 读/写数据地址
din I 内存写入总线
byteExt I 字节控制信号
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
3 读/写字节数据 当字节控制信号有效时，根据输入的数据地址来寻找相应的字节进行读/写操作

IM

IM (Instruction Memory) – 指令内存

指令内存，用于存储程序运行指令。

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

MUX

MUX (Multiplexer) – 选择器

选择器，根据选通信号输出选定的输入值。

信号名 方向 描述
a I 选择输入信号 A(00)
b I 选择输入信号 B(01)
c I 选择输入信号 C(10)
d I 选择输入信号 D(11)
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 选择输出 A 当选通控制信号为00时，选择器输出输入信号 A
2 选择输出 B 当选通控制信号为01时，选择器输出输入信号 B
3 选择输出 C 当选通控制信号为10时，选择器输出输入信号 C
4 选择输出 D 当选通控制信号为11时，选择器输出输入信号 D

RF

RF (Register File) – 寄存器堆

寄存器单元，用于存储程序临时数据。

信号名 方向 描述
busW I 寄存器写入总线
clk I 时钟信号
wE I 写使能信号
rW I 寄存器写入地址
rA I 输出总线A读出的数据地址
rB I 输出总线B读出的数据地址
busA O 寄存器输出总线A
busB O 寄存器输出总线B
序号 功能名称 功能描述
1 写入数据 当写使能信号有效时，在每个时钟上升沿根据写入地址写入寄存器数据
2 读出数据 根据 A / B 数据地址读出相应的寄存器数据并通过输出总线 A / B 输出

ALU

ALU (Arithmetic Logic Unit) – 算术逻辑单元

算术逻辑单元，可完成加减与或比较等操作。

信号名 方向 描述
ALUop I 算术逻辑单元操作控制信号
a I 输入总线A
b I 输入总线B
clk I 时钟信号
result O 输出总线
序号 功能名称 功能描述
1 做加法 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数之和
2 做减法 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数之差
3 按位与 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数的按位与结果
4 按位或 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数的按位或结果
5 按位或非 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数的按位或非结果
6 按位异或 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入两数的按位异或结果
7 逻辑左移 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入 B 数逻辑左移 A 位的结果
8 逻辑右移 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入 B 数逻辑右移 A 位的结果
9 算术右移 根据操作控制信号，通过输出总线输出输入 B 数算术右移 A 位的结果
10 做乘法 根据操作控制信号，将输入两数的相乘结果保存至 HI 和 LO 寄存器中
11 无符号比较 根据操作控制信号，若输入总线 A 的数值小于总线 B 的数值，则为真，否则为假
12 带符号比较 根据操作控制信号，若输入总线 A 的带符号数值小于总线 B 带符号的数值，则为真，否则为假
13 读取 LO 值 根据操作控制信号，通过输出总线输出 LO 寄存器的数值
14 读取 HI 值 根据操作控制信号，通过输出总线输出 HI 寄存器的数值
15 写入 HI 值 根据操作控制信号，在时钟上升沿来临时将输入总线 A 的数值 写入 HI 寄存器中
16 写入 LO 值 根据操作控制信号，在时钟上升沿来临时将输入总线 A 的数值 写入 LO 寄存器中

EXT

EXT (Extender) – 扩展器

扩展器，可将 X 位立即数扩展成为 32 位数。

信号名 方向 描述
din I X 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，对输入的立即数算术扩展为 32 位

COMP

COMP (Compare) – 比较器

比较器，判断是否需要条件转移。

信号名 方向 描述
dinA I 输入总线 A
dinB I 输入总线 B
ins I 指令信号
compare I 比较信号
branch O 分支信号
序号 功能名称 功能描述
1 条件跳转 根据当前指令信号，判断是否需要进行条件跳转，并通过分支信号输出

Coprocessor0RF

CoP0 (CoProcessor0) – 协处理器 0 寄存器堆

协处理器 0 寄存器堆， 用于存储 CPU 状态信息。

信号名 方向 描述
clk I 时钟信号
din I 输入总线
wEn I 写使能信号
regNum I 读写地址
sel I 地址子号
npc_out I 下地址指令地址输入总线
ins I 指令信号
dout O 输出总线
expiaddr O EPC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，在每个时钟上升沿根据写入地址写入寄存器数据
2 读出数据 根据读数据地址读出相应的寄存器数据并通过输出总线输出
3 系统调用 将当前指令地址值写入EPC寄存器中，更改 Status 寄存器并使指令地址跳转到例外入口地址
4 异常返回 将EPC寄存器的数值输出至下地址逻辑，并更改Status寄存器

Control

CTRL

CTRL (Controller) – 控制单元

控制模块，通过解析指令信息来产生相应的控制信号执行指令。

信号名 方向 描述
ins I 当前需要执行的指令
compare I 比较信号
branch O 分支信号
jump O 跳转信号
regDst O 寄存器写入地址控制信号
aluSrcA O 算数逻辑单元输入控制信号 A
aluSrcB O 算数逻辑单元输入控制信号 B
aluCtr O 算术逻辑单元操作控制信号
regWr O 寄存器写入使能信号
memWr O 内存写入使能信号
immExt O 扩展器控制信号
memtoReg O 寄存器写入总线控制信号
copWr O 协处理器 0 写入使能信号
byteExt O 字节扩展信号
manInput_raddr O 寄存器地址输入
manInput_shf O 偏移量输入
iaddrtoNPC O 指令地址选择信号
序号 功能名称 功能描述
1 由指令产生控制信号 通过输入的指令分析出需要执行的操作，输出相应的控制信号

Code Repository

代码仓库。

Github: COExperiment_Repo

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