支持 45 条 MIPS 指令的单周期处理器开发

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	ByteExt	ManInput_raddr	ManInput_shf
`supported`	addu	000000	100001	0000	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	subu	000000	100011	0001	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	and	000000	100100	0010	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	or	000000	100101	0011	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	xor	000000	100110	0101	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	nor	000000	100111	0100	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	slt	000000	101010	1011	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	sltu	000000	101011	1010	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	addiu	001001	x	0000	0	0	00	01	00	00	01	00	00	x
`supported`	slti	001010	x	1011	0	0	00	01	00	00	01	00	01	x
`supported`	sltiu	001011	x	1010	0	0	00	01	00	00	01	00	00	x
`supported`	andi	001100	x	0010	0	0	00	01	00	00	01	00	00	x
`supported`	ori	001101	x	0011	0	0	00	01	00	00	01	00	00	x
`supported`	xori	001110	x	0101	0	0	00	01	00	00	01	00	00	x
`supported`	lui	001111	x	0110	0	0	00	01	10	00	01	00	00	x	x	0x00000010
`supported`	sll	000000	000000	0110	0	0	01	00	01	00	01	00	x	x
`supported`	srl	000000	000010	0111	0	0	01	00	01	00	01	00	x	x
`supported`	sra	000000	000011	1000	0	0	01	00	01	00	01	00	x	x
`supported`	sllv	000000	000100	0110	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	srlv	000000	000110	0111	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	srav	000000	000111	1000	0	0	01	00	00	00	01	00	x	x
`supported`	lw	100011	x	0000	0	0	00	01	00	01	01	00	01	11
`supported`	sw	101011	x	0000	0	0	x	01	00	x	00	01	01	11
`supported`	lb	100000	x	0000	0	0	00	01	00	01	01	00	01	01
`supported`	lbu	100100	x	0000	0	0	00	01	00	01	01	00	01	00
`supported`	sb	101000	x	0000	0	0	00	01	00	x	00	01	01	10
`supported`	beq	000100	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	bne	000101	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	bgez	000001	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	bgtz	000111	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	blez	000110	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	bltz	000001	x	x	1	0	x	00	00	x	00	00	x	x
`supported`	j	000010	x	x	0	1	x	x	x	x	00	00	x	x
`supported`	jr	000000	001000	x	0	1	x	x	00	00	00	00	x	x
`supported`	jalr	000000	001001	x	0	1	01	x	00	11	01	00	x	x
`supported`	jal	000011	x	x	0	1	10	x	x	11	01	00	00	x	11111

Status	Ins Type	op	func	ALUctr	Jump	RegDst	ALUSrcB	ALUSrcA	MemtoReg	RegWr	ImmExt	CopWr	ByteExt	iaddrtoNPC
`supported`	mult	000000	011000	1001	0	x	00	00	x	00	x	00	x	00
`supported`	mfhi	000000	010000	1101	0	01	00	00	00	01	x	00	x	00
`supported`	mthi	000000	010001	1110	0	x	x	00	x	00	x	00	x	00
`supported`	mflo	000000	010010	1100	0	01	00	00	00	01	x	00	x	00
`supported`	mtlo	000000	010011	1111	0	x	x	00	x	00	x	00	x	00
`supported`	mfc0	010000	x	x	0	00	x	x	10	01	x	00	x	00
`supported`	mtc0	010000	x	x	0	00	00	x	00	00	x	01	x	00
`supported`	syscall	000000	001100	x	1	x	x	x	00	00	x	01	x	01
`supported`	eret	010000	011000	x	1	x	x	x	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

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代码仓库。

Github: COExperiment_Repo

Copyright

版权信息。

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Abstract¶

Instruction Set¶

Modules¶

Datapath¶

PC¶

NPC¶

DM¶

IM¶

MUX¶

RF¶

ALU¶

EXT¶

COMP¶

Coprocessor0RF¶

Control¶

CTRL¶

Code Repository¶

Copyright¶