自己動手寫CPU(3)邏輯、移位操作與空指令

指令說明

MIPS32指令集架構中定義的邏輯操作指令有8條: and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，其中 ori指令已經實現。

MIPS32指令集架構中定義的移位操作指令有6條: sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。

MIPS32指令集架構中定義的空指令有2條: nop、ssnop。其中 ssnop是一種特殊類型的空操作，在每個周期發射多條指令的CPU中，使用ssnop指令可以確保單獨占用一個發射周期。OpenMIPS 設計為標量處理器，也就是每個周期發射一條指令，所以ssnop 的作用與nop相同，可以按照nop指令的處理方式來處理ssnop指令。

此外還有sync、pref這兩條指令，其中sync指令用于保證加載、存儲操作的順序，但對于OpenMIPS而言，它是嚴格按照指令順序執行的，加載、存儲操作也是按照操作順序進行的，所以可以將sync指令當做nop指令處理；pref指令用于緩存預取，OpenMIPS未實現緩存，所以也將該指令當做nop指令處理。

指令格式

and、or、xor、nor指令格式

and指令，功能碼是6’b100100，邏輯“與”運算。

指令用法：and rd, rs,rt (rd <- rs AND rt)

or指令，功能碼是6’b100101，邏輯“或”運算。

指令用法：or rd, rs,rt (rd <- rs OR rt)

xor指令，功能碼是6’b100110，異或運算。

指令用法：xor rd, rs,rt (rd <- rs XOR rt)

nor指令，功能碼是6’b100111，或非運算。

指令用法：nor rd, rs,rt (rd <- rs NOR rt)

andi、xori指令格式

andi指令，指令碼是6’b001100,邏輯“與”運算。

指令用法：andi rt, rs,imm ( rt <- rs AND zero_extended(imm) )

xori指令，指令碼是6’b01110,邏輯“異或”運算

指令用法：xori rt, rs,imm ( rt <- rs XORI zero_extended(imm) )

lui指令格式

指令用法：lui rt,imm ( rt <- imm || 0^16 , 即將指令中的16bit立即數保存到地址為rt的通用寄存器的高16位，低16位用0填充)

sll、srl、sra、sllv、srlv、 srav指令格式

sll指令，功能碼是6’b000000,邏輯左移

指令用法：sll rd,rt,sa ( rd <- rt << sa(logic) rt的值向左移位sa位，空出來的位置用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

srl指令，功能碼是6’b000010,邏輯右移

指令用法：srl rd,rt,sa ( rd <- rt >> sa(logic) rt的值向右移位sa位，空出來的位置用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

sra指令，功能碼是6’b000011,算術右移

指令用法：sra rd,rt,sa ( rd <- rt >> sa(arithmetic) rt的值向右移位sa位，空出來的位置用rt[31]的值填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

sllv指令，功能碼是6’b000100，邏輯左移

指令用法：sllv rd,rt,rs ( rd <- rt << rs[4:0] rt的值向左移位rs[4:0]位，空出來的位置用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

srlv指令，功能碼是6’b000110，邏輯右移

指令用法：srlv rd,rt,rs ( rd <- rt >> rs[4:0] rt的值向右移位rs[4:0]位，空出來的位置用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

srav指令，功能碼是6’b000111,算術右移

指令用法：srav rd,rt,rs ( rd <- rt >> rs[4:0] rt的值向右移位rs[4:0]位，空出來的位置用rt[31]填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中)

nop、ssnop、sync、pref指令格式

指令說明：空指令

修改代碼

為了實現邏輯、移位操作與空指令(其中 nop、ssnop不用特意實現，可以認為是特殊的邏輯左移指令sll)，只需要修改OpenMIPS 的如下兩個模塊。

• 修改譯碼階段的ID模塊，用以實現對上述指令的譯碼。
• 修改執行階段的EX模塊，使其按照譯碼結果進行運算。

確定指令種類的過程

疑問之處：書上提供的sync指令的op[10:6]=00001，但代碼中判斷認為op[10:6]=00000，查閱MIPS32手冊后發現，op[10:6]為stype碼，可以指定多種類型，全0和00001都在其中，如下圖

仿真結果

邏輯功能測試波形圖

移位功能測試波形圖

與書上提供的匯編代碼結果進行核驗后完全正確，功能正常實現。其中調試邏輯功能波形圖時，寄存器出現X的情況，調試了近兩個小時發現是頂層連線連錯了，真是個低級錯誤，希望大家認真仔細，不要重蹈我的覆轍。

項目鏈接

總結

以上是生活随笔為你收集整理的自己动手写CPU(3)逻辑、移位操作与空指令的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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