简单的多周期MIPS I CPU设计（一）—— 综述

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前言

新系列~为了准备数电期末作品而开的新坑~
推荐CMU的计算机组成原理课程，超赞。

本系列文章将介绍我的MIPS I CPU的实现，我们先规定我们的路线图：

1. MIPS I中的R型、I型、J型指令，暂不支持syscall和break指令
2. 流水线
3. 寄存器重命名
4. 有一级指令缓存以及一级数据缓存
5. 支持数据联络（通过UART与电脑传输数据）

待以后实现的：

1. 整数乘除法流水线
2. 浮点处理单元
3. 与闪存的交互
4. 异常处理器
5. 分支预测
6. 值预测

我将使用Verilog实现本项目，不过文章将不涉及具体的代码实现，只讲实现思路，如果有兴趣的话可以到我的GitHub仓库查看：
https://github.com/huanghongxun/MIPS-I-CPU

综述

MIPS 特点

我们首先浏览一下MIPS指令的特点：

• 所有指令都是32位长
• 有32个寄存器，可能是32位、64位等
• 所有运算都是32位的，没有只针对一个字节的运算
• 内存中的数据访问必须至少四字节（一个字长）对齐
• 跳转指令的目标地址只有26位，补了2位后，也只能寻址28位的空间（符号扩展）。也就是说指令最多只能跳转到[-128M,128M)的区域内。
• 条件分支指令的偏移地址只有16位，补了2位后，也只能寻址18位的空间（符号扩展）。也就是说指令最多只能跳转到[-128K,128K)的区域内。
• 由于立即数的位数不够（最多只有26位），因此必须利用lui和ori两条指令加载超过26位的大整数常数。

指令格式

MIPS I架构的指令主要分为三种：R型指令、I型指令和J型指令。

R型指令

R型指令一般是有两个操作数（都从寄存器中读取）的算术逻辑运算指令，以及无条件跳转jr和jalr指令。
R型指令的格式如下：

宽度：6      5    5    5    5     6
+---------+----+----+----+----+------+
| Op-code | Rs | Rt | Rd | SA | func |
+---------+----+----+----+----+------+ 

• op-code 长6位，表示指令的代码，如果是算术逻辑运算指令，这里是000000。
• Rs 长5位，表示第一个操作数寄存器的编号（因为寄存器有32个）
• Rt 长5位，表示第二个操作数寄存器的编号
• Rd 长5位，表示存放结果的寄存器的编号
• SA(Shift amount)
• func 长6位，由于指令还剩一些位，因此我们将op-code限制为000000，然后通过func来区分指令

I型指令

I型指令一般是有两个操作数（一个从寄存器中读取，一个是指令中低16位读取立即数）的算术逻辑运算指令、内存操作指令（根据寄存器存储的地址的偏移量找到数据）以及条件分支指令（跳转到相对偏移量的新地址）。
I型指令的格式如下：

     6       5    5                 16
+---------+----+----+---------------------------------+
| Op-code | Rs | Rt | 立即数(immediate)或偏移量(offset) |
+---------+----+----+---------------------------------+

J型指令

只有j和jal两个指令，跳转到指令中读取的相对地址。

     6                        26
+---------+---------------------------------------+
| Op-code |               jump_target             |
+---------+---------------------------------------+

寄存器

MIPS架构的CPU拥有32个通用寄存器和32个浮点寄存器，每个寄存器的编号、
代号以及用途如下：

编号	名称	用途
$0	$zero	常量0，且不会被用户指令修改
$1	$at	汇编器保留，用于伪指令的编译（比如解决加载大常数时立即数位数不够）
$2-$3	$v0-$v1	函数调用返回值
$4-$7	$a0-$a3	函数调用参数，用于传递参数
$8-$15	$t0-$t7	临时变量
$16-$23	$s0-$s7	临时变量（和$fp与$ra在函数调用时予以保留和恢复）
$24-$25	$t8-$t9	临时变量
$26-$27	$k0-$k1	操作系统保留，给内核使用
$28	$gp	全局指针（用于访问全局数据）
$29	$sp	堆栈指针
$30	$fp	栈帧指针
$31	$ra	返回地址（和jal、jalr指令有关，通过存储跳转前的指令地址，实现子程序）
	$f0-$f31	浮点寄存器

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