计算机系统综合课程设计3-CPU设计

1、2022-1-13 P.12022-1-13 P.2nMiniSys 指令系统介绍指令系统介绍nMiniSys CPU的设计的设计2022-1-13 P.3nMiniSys寄存器组寄存器组nMinisys指令的寻址方式指令的寻址方式nMiniSys指令目录指令目录nMiniSys指令格式指令格式n部分部分MiniSys指令详解指令详解2022-1-13 P.4寄存器名寄存器名寄存器号寄存器号 约定用途约定用途$zero0常数常数0，该寄存器永远只返回，该寄存器永远只返回0。$at1用做汇编器的暂时变量。用做汇编器的暂时变量。$v0$v123用来存放一个子程序用来存放一个子程序(函数函数)的非浮

2、点运算的非浮点运算的结果或返回值。的结果或返回值。$a0$a347存放子程序存放子程序(函数函数)调用时的非浮点参数。调用时的非浮点参数。$t0$t7815暂时变量，子程序暂时变量，子程序(函数函数)使用时不保存这使用时不保存这些寄存器的值，因此调用后它们的值会被些寄存器的值，因此调用后它们的值会被破坏。破坏。$s0$s716238个子程序用寄存器。子程序个子程序用寄存器。子程序(函数函数)必须必须在返回之前恢复这些寄存器的值以保证其在返回之前恢复这些寄存器的值以保证其没有变化。没有变化。2022-1-13 P.5寄存器名寄存器名寄存器号寄存器号 约定用途约定用途$t8$t92425暂时变量，

3、子程序暂时变量，子程序(函数函数)使用时不保存这使用时不保存这些寄存器的值，因此调用后它们的值会被些寄存器的值，因此调用后它们的值会被破坏。破坏。$i0$i12627分别保存两个中断到来时程序的返回地址。分别保存两个中断到来时程序的返回地址。（该两寄存器定义和（该两寄存器定义和MIPS中的有所不同）中的有所不同）$s928第第10个子程序用寄存器。（该定义和个子程序用寄存器。（该定义和MIPS中的不同）中的不同）$sp29堆栈指针，对它的调整必须显式的通过指堆栈指针，对它的调整必须显式的通过指令来实现，硬件不支持堆栈指针的调整。令来实现，硬件不支持堆栈指针的调整。$s830第第9个子程序用寄存

4、器。（该定义和个子程序用寄存器。（该定义和MIPS中的不同）中的不同）$ra31存放调用子程序存放调用子程序(函数函数)时的返回地址。时的返回地址。2022-1-13 P.6n立即数寻址立即数寻址n指令中第指令中第3操作数可使用操作数可使用16位二进制立即数位二进制立即数n相对寻址相对寻址n操作数是下一条指令的操作数是下一条指令的PC值（值（PC+4）加上一个）加上一个32位偏移量位偏移量n寄存器寻址寄存器寻址n操作数存放在寄存器中，指令里放的是寄存器号操作数存放在寄存器中，指令里放的是寄存器号n寄存器相对寻址寄存器相对寻址n操作数存放在数据存储器中，其有效地址由两部操作数存放在数据存储器中，

5、其有效地址由两部分组成，基地址放在一个寄存器中，偏移部分为分组成，基地址放在一个寄存器中，偏移部分为一个一个16位的立即数位的立即数2022-1-13 P.72022-1-13 P.8n算术指令算术指令add, addu, addi, addiu, sub, subun逻辑指令逻辑指令and, andi, or, ori, xor, xori, nor, sll, srl, sra, sllv, srlv, sravn数据传送指令数据传送指令lw, sw, luin比较、条件转移指令比较、条件转移指令beq, bne, slt, slti, sltu, sltiun无条件转移指令无条件转移指令

6、j, jr, jal2022-1-13 P.9n（1）R-format add $1, $2, $3 # $1=$2+$3 oprsrtrdshamtfunct0231032 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 000000000100001100001000001000002022-1-13 P.10n（2）I-format lw $1, 10($2) # $1=Memory$2 +10 oprsrtAddress/Immediate352110 6-bit5-bit5-bit16-bit 10001100010000110000 0000 0000 1010202

7、2-1-13 P.11n（3）J-format j 10000 # go to 10000opTarget/ Address22500 6-bit26-bit 00001000000000000000 1001 1100 01002022-1-13 P.12n这里只介绍几个典型的指令格式，比较完这里只介绍几个典型的指令格式，比较完整的指令格式请参看教材。整的指令格式请参看教材。n加法指令（加法指令（ R-format）2022-1-13 P.13add $s1, $s2, $s3 # $s1=$s2+$s3 oprsrtrdshamtfunct0181917032 6-bit5-bit5-bi

8、t5-bit5-bit6-bit 00000010010100111000100000100000n减法指令（减法指令（R-format）2022-1-13 P.14sub $s1, $s2, $s3 # $s1=$s2-$s3 oprsrtrdshamtfunct0181917034 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000010010100111000100000100010n逻辑与指令（逻辑与指令（R-format）2022-1-13 P.15and $s1, $s2, $s3 # $s1=$s2 & $s3 oprsrtrdshamtfunct0

9、181917036 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000010010100111000100000100100n逻辑或操作（逻辑或操作（R-format）2022-1-13 P.16or $s1, $s2, $s3 # $s1=$s2 | $s3 oprsrtrdshamtfunct0181917037 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000010010100111000100000100101n有符号立即数加（有符号立即数加（I-format）2022-1-13 P.17addi $s1, $s2, 100 # $s1=$

10、s2 + 100oprsrtImmediate81817100 6-bit5-bit5-bit16-bit 00100010010100010000 0000 0110 0100立即数做符号扩展立即数做符号扩展n立即数逻辑与指令（立即数逻辑与指令（I-format）2022-1-13 P.18andi $s1, $s2, 100 # $s1=$s2 & 100oprsrtImmediate121817100 6-bit5-bit5-bit16-bit 00110010010100010000 0000 0110 0100立即数做立即数做0扩展扩展n立即数逻辑或指令（立即数逻辑或指令（I

11、-format）2022-1-13 P.19ori $s1, $s2, 100 # $s1=$s2 | 100oprsrtImmediate131817100 6-bit5-bit5-bit16-bit 00110110010100010000 0000 0110 0100立即数做立即数做0扩展扩展n逻辑左移指令（逻辑左移指令（R-format）2022-1-13 P.20sll $s1, $s2, 10 # $s1= shift（$s2）left logic 10 bits oprsrtrdshamtfunct001817100 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit

12、00000000000100101000101010000000n逻辑右移指令（逻辑右移指令（R-format）2022-1-13 P.21srl $s1, $s2, 10 # $s1= shift（$s2）right logic 10 bits oprsrtrdshamtfunct001817102 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000000000100101000101010000010n算术右移指令（算术右移指令（R-format）2022-1-13 P.22sra $s1, $s2, 10 # $s1= shift（$s2）right arithma

13、tic 10 bits oprsrtrdshamtfunct001817103 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000000000100101000101010000011n存储器读（存储器读（I-format）2022-1-13 P.23lw $s1, 100($s2) # $s1=Memory$s2 +100 oprsrtOffset351817100 6-bit5-bit5-bit16-bit 100011 10010 10001 0000 0000 0110 0100立即数做符号扩展立即数做符号扩展n存储器写（存储器写（I-format）2022-1-

14、13 P.24sw $s1, 100($s2) # Memory$s2 +100 = $s1 oprsrtOffset431817100 6-bit5-bit5-bit16-bit 101011 10010 10001 0000 0000 0110 0100立即数做符号扩展立即数做符号扩展n相等则转移指令（相等则转移指令（I-format）2022-1-13 P.25beq $s1, $s2,100 # if $s1=$s2, goto PC+4+100oprsrtOffset= immediate/44171825 6-bit5-bit5-bit16-bit 000100 10001 100

15、10 0000 0000 0001 1001立即数做符号扩展立即数做符号扩展n不相等则转移转移指令（不相等则转移转移指令（I-format）2022-1-13 P.26bne $s1, $s2,100 # if $s1 $s2, goto PC+4+100oprsrtOffset = immediate/45171825 6-bit5-bit5-bit16-bit 000101 10001 10010 0000 0000 0001 1001立即数做符号扩展立即数做符号扩展n小于则设置指令（小于则设置指令（R-format）2022-1-13 P.27slt $s1, $s2, $s3 # if

16、 $s2$s3, $s1=1; else $s1=0oprsrtrdshamtfunct0181917042 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000010010100111000100000101010n无条件转移指令（无条件转移指令（J-format）2022-1-13 P.28j 10000 # go to 10000opTarget = Address/422500 6-bit26-bit 00001000000000000000 1001 1100 0100n过程调用指令（过程调用指令（J-format）2022-1-13 P.29jal 10000

17、# $31=PC+4; go to 10000opTarget = Address/432500 6-bit26-bit 00001100000000000000 1001 1100 0100n按寄存器内容转移指令（按寄存器内容转移指令（R-format）2022-1-13 P.30jr $ra # jump register $raoprsrtrdshamtfunct0310008 6-bit5-bit5-bit5-bit5-bit6-bit 00000011111000000000000000001000n立即数赋值指令（立即数赋值指令（I-format）2022-1-13 P.31lui

18、 $s1,100 # $s1 = 100 16oprsrtimmediate15017100 6-bit5-bit5-bit16-bit 001111 00000 10001 0000 0000 0110 01002022-1-13 P.32nMiniSys CPU设计架构设计架构nMiniSys CPU中各个单元中各个单元n指令执行的分析指令执行的分析n设计流水线处理器的考虑设计流水线处理器的考虑n设计多核处理器的考虑设计多核处理器的考虑2022-1-13 P.33n指令执行的步骤指令执行的步骤ifetchidecodeControlExecuteWriteDmemoryPCClock程序程

19、序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoRegMemWriteSftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addressPC+410jrnMIPS instruction form

20、atopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddress2022-1-13 P.35nFetch（取指单元）（取指单元）n定义指令定义指令ROM存储器存储器n到程序到程序ROM中取指令中取指令n对对PC值进行值进行4处理处理n完成各种跳转指令的完成各种跳转指令的PC修改功能修改功能n在有中断的情况下处理中断到来时的在有中断的情况下处理中断到来时的PC修修改改immediaterdPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtreadR1readR2wri

21、teRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrn2022-1-13 P.37 lpm_rom prgrom(.address(PC11:2),.inclock(clock),.q(Jpadr); defpar

22、am prgrom.lpm_width = 32; defparam prgrom.lpm_widthad = 10; defparam prgrom.lpm_file = prgmip32.mif; defparam prgrom.lpm_outdata = UNREGISTERED; defparam prgrom.lpm_address_control = REGISTERED;2022-1-13 P.38nprgmip32.mif文件（自行创建）文件（自行创建）2022-1-13 P.39nDecode（译码单元）（译码单元）n定义寄存器组定义寄存器组n对寄存器组进行读写操作对寄存器组

23、进行读写操作n根据指令译码结果，决定向其他部件（如根据指令译码结果，决定向其他部件（如运算器）送运算器）送1路或两路数据路或两路数据rdPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制单元op寄寄存存器器01funcrsrtreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_

24、format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrn2022-1-13 P.41nControl（控制单元）（控制单元）n根据指令中的指令码（根据指令中的指令码（op）和功能码）和功能码（funct）的不同组合输出相应的控制信号。）的不同组合输出相应的控制信号。rdPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄存器01funcrsrtreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展immediate01ABZeroAl

25、u resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrn2022-1-13 P.43nExe（执行单元）（执行单元）n完成逻辑运算完成逻辑运算n完成算术运算完成算术运算n完成移位运算完成移位运算n完成比较转移的完成比较转移的PC值计算值计算n完成比较后赋值完成比较后赋值rdPCClock程序ROM读地址指令31-04控制单元op寄

26、存器01funcrsrtreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrn2022-1-13 P.45nDmemory（存储单元）（存储单元）n定义数据存储单元定义数据存

27、储单元RAMn实际完成对数据存储器的读写操作实际完成对数据存储器的读写操作rdPCClock程序ROM读地址指令31-04控制单元op寄存器01funcrsrtreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移2位nBranchBranch0101jmp | jal左移2位add

28、resstPC+410jrn2022-1-13 P.47n器件固有延迟维持的流水器件固有延迟维持的流水2022-1-13 P.48n数据存储器的实现数据存储器的实现lpm_ram_dq ram(.data(write_data) , .address(address11:2),.we(Memwrite ), .inclock(clk),.q(read_data); /在在 / Verilog中使用中使用Altera的的RAM单元单元, 注意地址要除注意地址要除2defparam ram.lpm_width =32; /数据宽数据宽32位位defparam ram.lpm_widthad = 1

29、0; /地址线宽地址线宽10位位defparam ram.lpm_outdata = UNREGISTERED; defparam ram.lpm_indata = REGISTERED;defparam ram.lpm_address_control = REGISTERED;defparam ram.lpm_file = “dmem32.mif”; /存储体初始化文件存储体初始化文件/ 以双字为单位，所以地址都是以双字为单位，所以地址都是4的倍数的倍数2022-1-13 P.49ndmem32.mif文件（自行创建）文件（自行创建）DEPTH = 1024; -10 位地址线位地址线WID

30、TH = 32; - 数据宽度数据宽度32位位ADDRESS_RADIX = HEX; -地址采用地址采用16进制描述进制描述DATA_RADIX = HEX; - 数据采用数据采用16进制描述进制描述CONTENTBEGIN0 : 00000055; - 行号是地址除以行号是地址除以4的结果的结果1 : 000000AA; 2.3FF : 00000000;END;2022-1-13 P.50nMiniSys （顶层设计）（顶层设计）n顶层整合模块顶层整合模块n前面已经给出了前面已经给出了MiniSys cpu 的的5大部件的大部件的设计，最后需要将这设计，最后需要将这5大部件组合成一个完大

31、部件组合成一个完整的整的CPU，可以用，可以用GDT图，也可以用图，也可以用Verilog的元件例化的方法来完成。的元件例化的方法来完成。n在元件例化的时候特别注意字母大小写一在元件例化的时候特别注意字母大小写一定要一致。定要一致。2022-1-13 P.51n模块的定义模块的定义module minisys(reset, clock, pc, alu_result_out, read_data_1_out, read_data_2_out, write_data_out, instruction_out, branch_out, zero_out, memwrite_out, regwrit

32、e_out, i_format_out);input reset,clock;output15:0 pc, alu_result_out, read_data_1_out; output15:0 read_data_2_out, write_data_out;output31:0 instruction_out;output branch_out, zero_out, memwrite_out, regwrite_out; output i_format_out;2022-1-13 P.52n内部信号定义内部信号定义 wire15:0 pc_plus_4; wire15:0 read_data

33、_1; wire15:0 read_data_2; wire15:0 sign_extend; wire15:0 add_result; wire15:0 alu_result; wire15:0 read_data; wire15:0 pc_next,opcplus4; wire alusrc ,jrn,i_format,regwrite, zero, memwrite; wire branch, memtoreg, memread, memreg; wire nbranch,jmp,jal,regdst; wire1:0 aluop; wire31:0 instruction;2022-1

34、-13 P.53n内部信号赋值内部信号赋值assign instruction_out = instruction ;assign alu_result_out = alu_result ;assign read_data_1_out = read_data_1 ;assign read_data_2_out = read_data_2 ;assign write_data_out = (memtoreg = 1) ? read_data : alu_result ;assign branch_out = branch ;assign zero_out = zero ;assign regwr

35、ite_out = regwrite ;assign memwrite_out = memwrite ;assign i_format_out = i_format ;2022-1-13 P.54n元件例化元件例化Ifetc32 ifetch(.Instruction(instruction), .PC_plus_4_out(pc_plus_4) , .Add_result(add_result), .Branch(branch), .nBranch(nbranch), .Jmp(jmp), .Jal(jal), .Jrn(jrn),.Read_data_1(read_data_1), .PC

36、_next(pc_next), .Zero(zero), .PC_out(pc), .clock(clock), .reset(reset).opcplus4(opcplus4);2022-1-13 P.55n各类指令执行的分析各类指令执行的分析PCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据RA

37、M10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddress除除jr指令之外的其指令之外的其他他16条条R-format指指令令PCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtr

38、dreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs 00f

39、uncop rs rt immediateopaddressjr0PCClock程序ROM读地址指令31-04控制单元op寄存器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移2位nBranchBranch0101jmp | jal左移2位addresstP

40、C+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rtrdfuncop rs rtimmediateopaddressaddi, addiu,andi, ori, xori,lui,slti,sltiuPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDa

41、taMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddresslwPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writ

42、eRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt im

43、mediateopaddressswPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2

44、位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddressbeq, bnePCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2RegdstWEAlusrc符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0ja

45、lRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddressjPCClock程序程序ROM读地址读地址指令指令31-04控制控制单元单元op寄寄存存器器01funcrsrtrdreadR1readR2writeRwriteDClockreadD1readD2R

46、egdstWEAlusrc符号扩展符号扩展immediate01ABZeroAlu resultALUAddressWriteDataMemdata数据数据RAM10WE1 0jalRegwriteMemtoregMemwriteAluctl/slt/sftmd/sftm/I_format左移左移2位位nBranchBranch0101jmp | jal左移左移2位位addresstPC+410jrnMIPS instruction formatopI-formatJ-formatR-formatrs rt rdfuncop rs rt immediateopaddressjal312022-1-13 P