MIPS 单周期处理器开发

May 30, 2017 cpu MIPS Verilog 1703 words 4 min

Table of Contents

Abstract
Instruction Set
Modules
- Datapath
  - PC
  - NPC
  - DM
  - IM
  - MUX
  - RF
  - ALU
  - EXT
- Control
  - CTRL
Code Repository
- Copyright

使用 Verilog 语言完成的一个支持13条 MIPS 指令的单周期处理器。

Abstract

仅支持13条 MIPS 指令的单周期处理器，不支持溢出。

Instruction Set

指令说明。

Total: 13

Status	Ins Type	op	func	ALUctr	Branch	Jump	RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWr	MemWr	ExtOp
`supported`	addu	000000	100001	0000	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	add	000000	100000	0001	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	subu	000000	100011	1000	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	sub	000000	100010	1001	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	and	000000	100100	0010	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	or	000000	100101	0011	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	sltu	000000	101011	1010	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	slt	000000	101010	1011	0	0	1	0	0	1	0	x
`supported`	beq	000100	x	1001	1	0	x	0	x	0	0	x
`supported`	jump	000010	x	x	0	1	x	x	x	0	0	x
`supported`	lw	100011	x	0001	0	0	0	1	1	1	0	1
`supported`	sw	101011	x	0001	0	0	x	1	x	0	1	1
`supported`	ori	001101	x	0011	0	0	0	1	0	1	0	0

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9个子组件。

Datapath

数据通路。

PC

Program Counter – 指令计数器

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
2	保存 NPC 并退出	在每个时钟上升沿保存 NPC，并将其输出

NPC

Next PC – 下指令部件

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
zero	I	判零标志
imm16	I	I-指令的16位立即数
imm26	I	J-指令的26位立即数
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，与当前指令的高四位进行拼接，再将地址乘4，得到需要跳转的绝对地址并将其输出

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

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

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

RF

Register File – 寄存器堆

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

Arithmetic Logic Unit – 算术逻辑单元

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
result	O	输出总线
zero	O	判零标志

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
1	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
2	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
1	做比较	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

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

Control

控制单元。

CTRL

Controller – 控制器

信号名	方向	描述
ins	I	当前需要执行的指令
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
aluSrc	O	算数逻辑单元输入控制信号
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
extOp	O	扩展器控制信号
memtoReg	O	寄存器写入总线控制信号

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

Copyright

版权信息。

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