计算机设计与实践——MIPS基本指令.docVIP

MIPS基本指令和寻址方式： MIPS是典型的RISC处理器，采用32位定长指令字，操作码字段也是固定长度，没有专门的寻址方式字段，由指令格式确定各操作数的寻址方式。 MIPS指令格式一般有三种格式： R-型指令格式 I-型指令格式 J-型指令格式 OP： 操作码 rs： 第一个源操作数寄存器 rt： 第二个源操作数寄存器（单目原数据） rd： 结果寄存器 shamt：移位指令的位移量 func： 指令的具体操作类型 特点：R-型指令是RR型指令，其操作码OP字段是特定的“000000”，具体操作类型由func字段给定。例如：func=“100000”时，表示“加法”运算。 R[rd] ← R[rs] + R[rt] 特点：I-型指令是立即数型指令 双目运算： R[rt] ( R[rs]（OP）SignExt(imm16) Load指令： Addr ← R[rs] + SignExt(imm16) 计算数据地址 (立即数要进行符号扩展) R[rt] ← M[Addr] 从存储器中取出数据，装入到寄存器中 Store指令： Addr ← R[rs] + SignExt(imm16) M[Addr] ← R[rt] 特点：J-型指令主要是无条件跳转指令，将当前PC的高4位拼上26位立即数，后补两个“0”，作为跳转目标地址。 R型指令： 定点运算： add / addu， sub / subu， sra， mult/multu， div/divu 逻辑运算： and / or / nor， sll / srl 比较分支： beq / bne / slt / sltu 跳转指令： jr I型指令： 定点运算： addi / addiu 逻辑运算： andi / ori 比较分支： slti / sltiu 数据传送： lw / sw/ lhu / sh / lbu / sb / lui J型指令： j / jal 设计模块划分，教学安排 MIPS格式指令系统设计 指令存储器设计 寄存器堆设计 ALU设计——基本算术、逻辑单元的设计 32位超前进位加法器的设计 32位桶式移位寄存器的设计 取指令部件的设计 立即数处理单元设计 单周期处理器设计——R型指令的数据通路设计 I型指令的数据通路设计 Load/Store指令的数据通路设计 分支指令/转移指令的数据通路设计 综合12条指令的完整数据通路设计 ALU控制单元设计 主控制单元的设计 单周期处理器总体验证 异常和中断处理及其电路实现 带有异常和中断处理功能的处理器的设计 设计示例1：指令存储器设计 指令存储器模块定义： 指令存储器用于存放CPU运算的程序指令和数据等，采用单端口存储器设计，设计最大为64个存储单元，每个存储单元数据宽度为32bit。下图为指令存储器的模块框图。 图1 模块框图 表1： 存储器接口信号说明表 序号 接口信号名称 方向（I/O） 说明 备注 ExtMem_CLK I 存储器工作时钟，频率为50Mhz ExtMem_CSn I 存储器片选信号，低有效 ExtMem_Adr [5:0] I 存储器地址线 最大64个单元 ExtMem_WRn I 存储器写信号，低有效 ExtMem_RDn I 存储器读信号，低有效 ExtMem_Din [31:0] I 存储器输入数据线 ExtMem_Dout [31:0] O 存储器输出数据线 Vcc 电源 Gnd 地线 图2 存储器接口读时序框图 图3 存储器接口写时序框图 图4 存储器接口读写时序框图 设计电路源代码 Module ExtMem ( input ExtMem_CLK, input ExtMem_CS, input [5:0] ExtMem_Adr, input ExtMem_WR, input ExtMem_RD, input [31:0] ExtMem_Din, output [31:0] ExtMem_Dout ); reg [31:0] Memory [0: 63] ; //---存储器写操作 always @( posedge ExtMem ) begin if (~ExtMem_CS ~ExtMem_WR ) Memory[ExtMem_Adr]= ExtMem_Din; end //---存储器读操作方式1 always @( posedge Ex