单周期CPU设计的理论基础

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1.指令集设计：

CPU的指令类型根据其操作的不同，可以分为下面七类。

（1）计算类指令(Computational)

计算类指令用于执行算术操作，乘/除，逻辑操作和对寄存器进行移位操作。这些指令有两种类型:寄存器类型和立即数类型。寄存器类型的指令使用两个源寄存器的值作为源操作数，立即数类型使用一个寄存器和立即数作为源操作数。根据操作的不同，这些指令分为下面4种：

（2）Load/Store指令

Load和Store指令都为立即数（I-type）类型，用来在存储器和通用寄存器之间的储存和装载数据。值得一提的是MIPS指令集只有该类指令访问内存，而其他指令都在寄存器之间进行，所以指令的执行速度较高。该类指令只有基址寄存器的值加上扩展的16位有符号立即数一种寻址模式，数据的存取方式可以是字节（byte）、字（word）和双字（Double word）。

指令格式：

（3）跳转/分支指令（jump & branch）

跳转和分支指令改变程序流。所有的跳转和分支指令都会产生的一个延迟槽(delay slot)。紧跟着跳转/分支指令后的指令(delay slot中的指令)也被执行，然后在跳转目的的第一条指令从存储器中取出并执行，这是在指令的流水线执行时获得更高效率。

（4）寄存器传送指令

寄存器传送指令用来在系统的通用寄存器（GPR）、乘除法专用寄存器（HI、LO）之间传送数据，这些指令分为有条件传送和无条件传送2种类型。

（5）专用指令

专用指令用来产生软件中断，当执行这类指令的时候，CPU产生异常并转入中断处理程序。这些指令有系统调用（Syscall），暂停（Break）和Trap指令等，主要用于软件的异常处理。

（6）协处理器指令

协处理器指令对协处理器进行操作。协处理器的Load和Store指令是立即数类型，每个协处理器指令的格式依协处理器不同而不同。

（7）系统控制协处理器（CP0）指令

系统控制协处理器（CP0）指令执行对CP0寄存器的操作来控制处理器的存储器并执行异常处理。

本实验设计只选取了20条典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电路的设计方法。下表列出了本实验的所涉及到的20条MIPS指令。

20条MIPS指令

R型指令的op均为0，具体操作由func指定。rs和rt是源寄存器号，rd是目的寄存器号。移位指令中使用sa指定移位位数。

I型指令的低16位是立即数，计算时需扩展到32位，依指令的不同需进行零扩展和符号扩展。

J型指令的低26位是地址，是用于产生跳转的目标地址。

2.总体电路设计：

本实验所设计的单周期CPU的总体电路结构如图所示。

本实验所设计的CPU主要组成部分有：运算器（ALU）、控制器（Control Unit）、寄存器堆（Register Files）、取指电路及相关基础部件（如选择器）等构成。

具体的代码实现请看：

Verilog HDL语言实现的单周期CPU设计（全部代码及其注释）

tz@COI HZAU

2018/7/10