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引言

此專欄的文章記錄自己學(xué)習(xí)《自己動手寫CPU》的過程。算是一個學(xué)習(xí)筆記，里面也會夾雜個人的思考以及代碼編寫。希望自己可以像作者一樣，堅持到最后。加油~~

本篇學(xué)習(xí)MIPS32處理器的基本架構(gòu)。

致謝

感謝書籍《自己動手寫CPU》及其作者雷思磊。一并感謝開源精神。

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目錄

引言

致謝

處理器與MIPS

1、計算機(jī)的簡單模型

2、架構(gòu)與指令集

3、MIPS的ISA演變

4、MIPS32 Release 1 指令集架構(gòu)

1、數(shù)據(jù)類型

2、寄存器

3、字節(jié)次序

4、指令格式

5、指令集

6、尋址方式

7、協(xié)處理器CP0

8、異常

硬件描述語言 Verilog

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處理器與MIPS

1、計算機(jī)的簡單模型

?計算機(jī)主要由三大組成部分構(gòu)成：處理器、輸入輸出、存儲器。

?匯編指令將助記符進(jìn)行譯碼，變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)據(jù)，供計算機(jī)識別、執(zhí)行。

高級語言先通過編譯變?yōu)閰R編語言，然后通過匯編指令將指令翻譯為二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。

2、架構(gòu)與指令集

指令集架構(gòu)（ISA）：包括了一套指令集和一些寄存器。面向ISA編程的最大優(yōu)點就是，程序的執(zhí)行無關(guān)處理器類型，無關(guān)硬件。ISA本身是一個抽象物，不涉及任何實現(xiàn)的硬件與環(huán)境。

微架構(gòu)：是ISA的具體實現(xiàn)。

同樣的ISA，不同的微架構(gòu)則會帶來不同的性能。

根據(jù)不同的ISA，可將計算機(jī)分為兩類：復(fù)雜指令集計算機(jī)（CISC）、精簡指令集計算機(jī)（RISC）。二者的主要區(qū)別在于：

CISC指令編碼長度不一致；

RISC指令編碼長度一致且固定；

ISA種類：

x86：屬CISC范疇

ARM：Acorn RISC Machine ，屬RISC范疇，目前ARM公司僅作CPU內(nèi)核設(shè)計，不做具體的芯片制造和生產(chǎn)。其產(chǎn)品側(cè)重于低功耗、低成本，主要面向嵌入式應(yīng)用。

SPARC：Scalable Processor ARChitecture ，可擴(kuò)展處理器架構(gòu)。屬RISC范疇。

POWER：Performance Optimization With Enhanced RISC ，屬RISC范疇。IBM公司的產(chǎn)品。

MIPS：Microprocessor without Interlocked Piped Stages，無內(nèi)鎖流水線處理器。屬RISC范疇。其設(shè)計理念：使用簡單的指令，結(jié)合優(yōu)秀的編譯器，采用流水線執(zhí)行指令的硬件，就可以用更少的晶圓面積生產(chǎn)更快的處理器。龍芯處理器采用的就是此架構(gòu)。

3、MIPS的ISA演變

4、MIPS32 Release 1 指令集架構(gòu)

該參考數(shù)目的處理器設(shè)計就是遵循 MIPS32 Release 1 架構(gòu)。?

1、數(shù)據(jù)類型

• 位（b）：長度為 1 bit；
• 字節(jié)（Byte）:長度為8 bit；
• 半字（HalfWord）:長度16 bit；
• 字（Word）:長度為 32 bit；
• 雙字（Double Word）:長度為 64bit；
• 另：32位單精度浮點數(shù)，64位雙精度浮點數(shù)；

2、寄存器

MIPS32的指令中處了 加載/存儲?指令外，其他指令都是用寄存器或者立即數(shù)作為操作數(shù)。因為寄存器的存取可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。

MIPS32中的寄存器類別：通用寄存器、特殊寄存器。

1、通用寄存器

MIPS32架構(gòu)定義了 32 個 32 位寬的寄存器，用 $0 ~ $31表示。$0 一般用作常量 0；

實際使用中，寄存器一般遵循如下的約定：

2、特殊寄存器

MIPS32中的特殊寄存器有3個：PC（程序計數(shù)器）、HI（乘除結(jié)果高位寄存器）、LO（乘除結(jié)果地位寄存器）。乘法運(yùn)算時，HI保存乘法結(jié)果的高32位，LO保存低32位。除法運(yùn)算時，HI存儲余數(shù)，LO存儲商。?

3、字節(jié)次序

?數(shù)據(jù)在存儲器中的存取都是以字節(jié)為單位的，所以當(dāng)存取的數(shù)據(jù)的位寬多于1個字節(jié)時，就需要明確數(shù)據(jù)的大小端模式。

大端模式：MSB，數(shù)據(jù)高位存儲于低地址；

小端模式： LSB，數(shù)據(jù)低位保存在低地址；

參考書中MIPS32的實現(xiàn)是大端模式。

示例：

4、指令格式

MIPS32的架構(gòu)中，指令位寬都是32。

?圖中 op 為指令碼；func 為功能碼；

5、指令集

1、邏輯操作指令

包含8條指令：and 、andi 、or 、ori 、xor 、xori 、nor 、lui

2、移位操作指令

包含6條指令：sll 、sllv 、sra 、srav 、srl 、srlv

3、移動操作指令

?包含6條指令：movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo

4、算術(shù)操作指令

包含21條指令：add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu、madd、maddu、msub、msubu、div、divu

5、轉(zhuǎn)移指令

包含14條指令：jr 、jalr 、j、?jal、b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne

6、加載存儲指令

包含14條指令：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl、swr

7、協(xié)處理器訪問指令

包含2條指令：mtc0、mfc0

8、異常相關(guān)指令

包含14條指令，其中12條自陷指令：teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tltiu、tnei；系統(tǒng)調(diào)用指令：syscall、異常返回指令：eret

9、其余指令

包含4條指令：nop、ssnop、sync、pref

6、尋址方式

MIPS32架構(gòu)的尋址方式：寄存器尋址、立即數(shù)尋址、寄存器相對尋址、PC相對尋址。

1、寄存器相對尋址：

?2、PC相對尋址

7、協(xié)處理器CP0

MIPS32架構(gòu)提供了最多 4 個協(xié)處理器，分別是 CP0 ~ CP3。其中CP0用作系統(tǒng)控制，CP1、CP3作浮點處理單元。CP2用于特定實現(xiàn)。除CP0以外的協(xié)處理器都是可選的。

協(xié)處理器CP0，主要的作用：

配置CPU工作狀態(tài)；

高速緩存控制；

異?？刂?#xff1b;

存儲單元管理；

8、異常

硬件描述語言 Verilog

此部分本人比較了解，就不再記錄。建議初學(xué)者查看我的下面的專欄，快速了解Verilog HDL語法：

?Verilog HDL 語法整理https://blog.csdn.net/qq_43045275/category_11341294.html?spm=1001.2014.3001.5482

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《自己动手写CPU》学习记录（1）——第1章的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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