自己动手写CPU（MIPS）----基础知识补充及单周期CPU取指译码

本次实验开始涉及MIPS架构CPU的设计。MIPS架构的CPU的传统流程为以下五个阶段：

1. 取指（Instruction Fetch）
2. 译码（Decode）
3. 执行（Execution）
4. 访存（Memory Request）
5. 回写（Write Back）

实验目的

上一次实验基本完成了访存的功能，这次实验主要是掌握单周期CPU控制器的工作原理及设计方法；掌握取指、译码阶段数据通路、控制器的执行过程。

开发环境

实验任务

基础知识补充

1、寄存器

处理器包含的软件可见的寄存器种类如下：

• 32个32 位通用寄存器，r0~r31。其中有两个被赋予了特殊含义：
  r0，0 号通用寄存器，值永远为 0；
  r31，31 号通用寄存器，被 JAL，BLTZAL 和 BGEZAL 指令隐式的用作目标寄存器，存放返回地址。
• HI/LO 寄存器。HI 寄存器存放乘法指令结果的高半部分或是除法指令结果的余数，LO 寄存器存放
  乘法指令结果的低半部分或是除法指令结果的商。
• 程序计数器（PC）。这个寄存器软件无法直接访问。
• 控制寄存器（CP0）.一组用于中断、例外控制的寄存器。

2、指令格式

MIPS的指令长度为固定的32bit，不同于RISC-V指令集。MIPS指令集的绝大部分指令格式均为立即数型（I-Type）、跳转型（J-Type）、寄存器型（R-Type）三种之一。
op：指令码
func：功能码
三种指令如图所示:

R类型：
具体操作由op、func结合指定，rs和rt是源寄存器的编号，rd是目的寄存器的编号。MIPS有32个通用寄存器，使用5位编码刚好可以全部表示。sa只有在移位指令中使用，用来指定移位位数。

• 当带有3个寄存器进行操作时，可有寄存器加add、减sub、与and、或or、异或xor指令可表示为

$rd = $rs op $rt

• 当带有2个寄存器进行操作时，可有逻辑左移sll、逻辑右移srl、算术右移sll指令可表示为

$rd = $rt shift sa

当带有1个寄存器进行操作时，可有寄存器跳转的指令jr
I类型：具体操作由op决定，低16位为立即数
面向运算的I型指令有4种不同的类型：寄存器和立即数的加addi、与andi、或ori、异或xori
要注意的是再算数加中需要对立即数进行符号拓展（看立即数的高位的符号是几再进行01拓展）！其他指令0拓展。

$rt = $rs op E(imm)

还有面向访存、面向数位设置、面向条件转移（分支）的I型指令。
J类型：具体操作由op指定，一般是跳转指令，低26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。

4、寻址方式

MIPS32架构的寻址模式有寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址和PC相对寻址四种。

• 其中PC相对寻址，这种寻址方式一般是转移指令会用到，将程序计数寄存器PC和（立即数左移两位后进行符号拓展）相加从而获得有效地址，
  需要注意的是左移两位相当于恢复按字节寻址 。
• 寄存器相对寻址不需要左移立即数！

4、协处理器CP0

这是刚才记录寄存器提到的控制寄存器，它主要负责处理指令集的某个扩展，拥有与处理器相独立的寄存器。在MIPS32架构中提供了最多4个协处理器CP0-CP3。

CP0：用于系统控制，具体作用有配置CPU工作状态、高速缓存控制、异常控制、存储单元控制。它主要是通过配置内部的一系列寄存器来完成上述工作。

5、异常

在处理器运行过程中，会从存储器依次取出指令，然后执行，但是有一些时间会打断正常的程序执行流程，这些事件有中断、陷阱、系统调用。异常发生后，处理器会转移到一个事先定义好的地址，在那个地址有异常处理程序，这个地址称为异常处理例程入口地址，异常处理完成后，使用异常返回指令eret，返回到异常发生前的状态继续执行。
中断会在后边的学习中再进行介绍。

单周期数据通路

把蓝色取指译码部分单独拿出来分析：

主要注意一下ALU control他的输入有一个Aluop，它和低6位结合一下来进行判断，这样有助于节省资源。

信号名称	信号无效时含义	信号有效时含义
memtoreg	写入寄存器的值来源于ALU	写入寄存器的值来源于数据存储器
memwrite	无	数据存储器写使能
memread	无	数据存储器读使能
pcsrc	顺序执行，取PC+4	跳转，使用目标地址代替PC+4
alusrc	ALU第二个输入来源于寄存器堆的第二个输入	ALU第二个输入来源于指令的低16位（目标地址的偏移量）
regdst	写寄存器操作的目标寄存器号来源于指令的rt字段(20:16)	写寄存器操作的目标寄存器号来源于指令的rd字段(15:11)
regwrite	无	寄存器堆写使能
branch	不是	是为branch指令，且满足branch的条件
jump	不是	是为jump指令
alucontrol		ALU控制信号，代表不同的运算类型

下面给出一个参考信号表

参考

重庆大学计算机组成实验
自己动手写CPU