单周期CPU设计的理论基础
写在前面:本博客内容为本人老师原创,严禁任何形式的转载!本博客只允许放在博客园(.cnblogs.com),如果您在其他网站看到这篇博文,请通过下面这个唯一的合法链接转到原文!
本博客全网唯一合法URL:http://www.cnblogs.com/acm-icpcer/p/9291767.html
1.指令集设计:
CPU的指令类型根据其操作的不同,可以分为下面七类。
(1)计算类指令(Computational)
计算类指令用于执行算术操作,乘/除,逻辑操作和对寄存器进行移位操作。这些指令有两种类型:寄存器类型和立即数类型。寄存器类型的指令使用两个源寄存器的值作为源操作数,立即数类型使用一个寄存器和立即数作为源操作数。根据操作的不同,这些指令分为下面4种:
(2)Load/Store指令
Load和Store指令都为立即数(I-type)类型,用来在存储器和通用寄存器之间的储存和装载数据。值得一提的是MIPS指令集只有该类指令访问内存,而其他指令都在寄存器之间进行,所以指令的执行速度较高。该类指令只有基址寄存器的值加上扩展的16位有符号立即数一种寻址模式,数据的存取方式可以是字节(byte)、字(word)和双字(Double word)。
指令格式:
(3)跳转/分支指令(jump & branch)
跳转和分支指令改变程序流。所有的跳转和分支指令都会产生的一个延迟槽(delay slot)。紧跟着跳转/分支指令后的指令(delay slot中的指令)也被执行,然后在跳转目的的第一条指令从存储器中取出并执行,这是在指令的流水线执行时获得更高效率。
(4)寄存器传送指令
寄存器传送指令用来在系统的通用寄存器(GPR)、乘除法专用寄存器(HI、LO)之间传送数据,这些指令分为有条件传送和无条件传送2种类型。
(5)专用指令
专用指令用来产生软件中断,当执行这类指令的时候,CPU产生异常并转入中断处理程序。这些指令有系统调用(Syscall),暂停(Break)和Trap指令等,主要用于软件的异常处理。
(6)协处理器指令
协处理器指令对协处理器进行操作。协处理器的Load和Store指令是立即数类型,每个协处理器指令的格式依协处理器不同而不同。
(7)系统控制协处理器(CP0)指令
系统控制协处理器(CP0)指令执行对CP0寄存器的操作来控制处理器的存储器并执行异常处理。
本实验设计只选取了20条典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电路的设计方法。下表列出了本实验的所涉及到的20条MIPS指令。
20条MIPS指令
R型指令 |
|||||||
指令 |
[31:26] |
[25:21] |
[20:16] |
[15:11] |
[10: 6] |
[5:0] |
功能 |
Add |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
100000 |
寄存器加 |
Sub |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
100010 |
寄存器减 |
And |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
100100 |
寄存器与 |
Or |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
100101 |
寄存器或 |
Xor |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
100110 |
寄存器异或 |
Sll |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
sa |
000000 |
左移 |
Srl |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
sa |
000010 |
逻辑右移 |
Sra |
000000 |
00000 |
rt |
rd |
sa |
000011 |
算术右移 |
Jr |
000000 |
rs |
rt |
rd |
000000 |
001000 |
寄存器跳 |
I型指令 |
|||||||
Addi |
001000 |
rs |
rt |
immediate |
立即数加 |
||
Andi |
001100 |
rs |
rt |
immediate |
立即数与 |
||
Ori |
001101 |
rs |
rt |
immediate |
立即数或 |
||
Xori |
001110 |
rs |
rt |
immediate |
立即数异或 |
||
Lw |
100011 |
rs |
rt |
offset |
取数据 |
||
Sw |
101011 |
rs |
rt |
offset |
存数据 |
||
Beq |
000100 |
rs |
rt |
offset |
相等转移 |
||
Bne |
000101 |
rs |
rt |
offset |
不等转移 |
||
Lui |
001111 |
00000 |
rt |
immediate |
设置高位 |
||
J型指令 |
|||||||
J |
000010 |
address |
跳转 |
||||
Jal |
000011 |
address |
调用 |
R型指令的op均为0,具体操作由func指定。rs和rt是源寄存器号,rd是目的寄存器号。移位指令中使用sa指定移位位数。
I型指令的低16位是立即数,计算时需扩展到32位,依指令的不同需进行零扩展和符号扩展。
J型指令的低26位是地址,是用于产生跳转的目标地址。
2.总体电路设计:
本实验所设计的单周期CPU的总体电路结构如图所示。
本实验所设计的CPU主要组成部分有:运算器(ALU)、控制器(Control Unit)、寄存器堆(Register Files)、取指电路及相关基础部件(如选择器)等构成。
具体的代码实现请看:
Verilog HDL语言实现的单周期CPU设计(全部代码及其注释)
tz@COI HZAU
2018/7/10
单周期CPU设计的理论基础的更多相关文章
- 单周期cpu设计代码解读
目录 写在前面 单周期cpu设计代码讲解 概念回顾 Verilog代码讲解 写在前面 欢迎转载,转载请说明出处. 单周期cpu设计代码讲解 概念回顾 一.电子计算机的部件 分为:中央处理器(cpu). ...
- 单周期CPU设计
终于有点时间了,恰好多周期的设计也已经完成,其实只想写写多周期的,无奈单周期补上才好,哈哈哈~ —————+—————黄金分割线—————+————— 首先要理解什么叫单周期CPU(与后面多周期CPU ...
- Verilog HDL语言实现的单周期CPU设计(全部代码及其注释)
写在前面:本博客为本人原创,严禁任何形式的转载!本博客只允许放在博客园(.cnblogs.com),如果您在其他网站看到这篇博文,请通过下面这个唯一的合法链接转到原文! 本博客全网唯一合法URL:ht ...
- P4-verilog实现mips单周期CPU
最近对学习的掌控可能出现了问题,左支右绌,p2挂了,p2.p3.p4.p5每周在计组花的连续时间少了很多,学习到的东西也少了很多,流水线都还没真正开始写,和别人比落后了一大截,随笔自然就荒废了,我得尽 ...
- 为什么现在使用多周期CPU,而单周期CPU被弃用?
最初设计的CPU结构简单,内部不复杂.之所以制造它是为了让机器自动跑程序,算数. 早期CPU都是单周期的,人们没考虑那么多,性能啥的.就让CPU每个时钟周期跑一个指令,这些时钟周期等长.这样下来,有的 ...
- 使用logisim搭建单周期CPU与添加指令
使用logisim搭建单周期CPU与添加指令 搭建 总设计 借用高老板的图,我们只需要分别做出PC.NPC.IM.RF.EXT.ALU.DM.Controller模块即可,再按图连线,最后进行控制信号 ...
- Vivado实战—单周期CPU指令分析
引言 不知道你是否和我有过同样的感受,<计算机组成原理>这门学科学起来如此的艰难:一节课下来,教室黑板上留下了满满的 "足迹",看上去也挺简单的,不就是 0 和 1 ...
- 单周期CPU
一个时钟周期执行一条指令的过程理解(单周期CPU): https://blog.csdn.net/a201577F0546/article/details/84726912 单周期CPU指的是一条指令 ...
- 使用Verilog搭建一个单周期CPU
使用Verilog搭建一个单周期CPU 搭建篇 总体结构 其实跟使用logisim搭建CPU基本一致,甚至更简单,因为完全可以照着logisim的电路图来写,各个模块和模块间的连接在logisim中非 ...
随机推荐
- css组合选择器
组合选择器:1,后代选择器 .main h2 {...}, 使用空格表示 IE6+2,子选择器 .main>h2 {...}, 使用 > 表示 IE7+3,兄弟选择器 h2+p {...} ...
- Atiitt 使用java语言编写sql函数或存储过程
Atiitt 使用java语言编写sql函数或存储过程 1.1. java编写sql函数或存储过程的机制1 1.2. Java编写sp的优点1 1.3. 支持java源码,class文件,blog f ...
- Json字符串转DataTable
/// <summary> /// 将json转换为DataTable /// </summary> /// <param name="strJson" ...
- pandas删除缺失数据(pd.dropna()方法)
1.创建带有缺失值的数据库: import pandas as pd import numpy as np df = pd.DataFrame(np.random.randn(5, 3), ind ...
- 【九天教您南方cass 9.1】 13 等高线法计算土方量
同学们大家好,欢迎收看由老王测量上班记出品的cass9.1视频课程 我是本节课主讲老师九天. 我们讲课的教程附件也是共享的,请注意索取 在测量空间中. [点击索取cass教程]5元立得 (给客服说暗号 ...
- 【转】ELK到底是什么鬼?辣么多公司用!
Sina.饿了么.携程.华为.美团.freewheel.畅捷通 .新浪微博.大讲台.魅族.IBM...... 这些公司都在使用ELK!ELK!ELK! ELK竟然重复了三遍,是个什么鬼? 一. ...
- Centos7 安装PHP7版本及php-fpm,redis ,php-redis,hiredis,swoole 扩展安装
============================PHP7.1 ========================================= 1. 更换rpm 源,执行下面两个 rpm - ...
- [BOOK] Applied Math and Machine Learning Basics
<Deep Learning> Ian Goodfellow Yoshua Bengio Aaron Courvill 关于此书Part One重难点的个人阅读笔记. 2.7 Eigend ...
- 解决 Spring Oauth2 RedisTokenStore storeAccessToken 报错 java.lang.NoSuchMethodError: org.springframework.data.redis.connection.RedisConnection.set
原因是Spring 版本兼容问题 参考: https://blog.csdn.net/smollsnail/article/details/78954225 继承 RedisTokenStore 修改 ...
- 通过JVM 参数 实现spring 应用的二进制代码与配置分离。
原创文章,转载请注明出处 分离的好处就不说了.说下分离的思路.通过JVM 参数-D 添加 config.path 的property 到系统中.系统通过System.getProperty(confi ...