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1.指令集設計：

CPU的指令類型根據其操作的不同，可以分為下面七類。

（1）計算類指令(Computational)

計算類指令用於執行算術操作，乘/除，邏輯操作和對寄存器進行移位操作。這些指令有兩種類型:寄存器類型和立即數類型。寄存器類型的指令使用兩個源寄存器的值作為源操作數，立即數類型使用一個寄存器和立即數作為源操作數。根據操作的不同，這些指令分為下面4種：

（2）Load/Store指令

Load和Store指令都為立即數（I-type）類型，用來在存儲器和通用寄存器之間的儲存和裝載數據。值得一提的是MIPS指令集只有該類指令訪問內存，而其他指令都在寄存器之間進行，所以指令的執行速度較高。該類指令只有基址寄存器的值加上擴展的16位有符號立即數一種尋址模式，數據的存取方式可以是字節（byte）、字（word）和雙字（Double word）。

指令格式：

（3）跳轉/分支指令（jump & branch）

跳轉和分支指令改變程序流。所有的跳轉和分支指令都會產生的一個延遲槽(delay slot)。緊跟著跳轉/分支指令後的指令(delay slot中的指令)也被執行，然後在跳轉目的的第一條指令從存儲器中取出並執行，這是在指令的流水線執行時獲得更高效率。

（4）寄存器傳送指令

寄存器傳送指令用來在系統的通用寄存器（GPR）、乘除法專用寄存器（HI、LO）之間傳送數據，這些指令分為有條件傳送和無條件傳送2種類型。

（5）專用指令

專用指令用來產生軟件中斷，當執行這類指令的時候，CPU產生異常並轉入中斷處理程序。這些指令有系統調用（Syscall），暫停（Break）和Trap指令等，主要用於軟件的異常處理。

（6）協處理器指令

協處理器指令對協處理器進行操作。協處理器的Load和Store指令是立即數類型，每個協處理器指令的格式依協處理器不同而不同。

（7）系統控制協處理器（CP0）指令

系統控制協處理器（CP0）指令執行對CP0寄存器的操作來控制處理器的存儲器並執行異常處理。

本實驗設計只選取了20條典型的MIPS指令來描述CPU邏輯電路的設計方法。下表列出了本實驗的所涉及到的20條MIPS指令。

20條MIPS指令

R型指令的op均為0，具體操作由func指定。rs和rt是源寄存器號，rd是目的寄存器號。移位指令中使用sa指定移位位數。

I型指令的低16位是立即數，計算時需擴展到32位，依指令的不同需進行零擴展和符號擴展。

J型指令的低26位是地址，是用於產生跳轉的目標地址。

2.總體電路設計：

本實驗所設計的單周期CPU的總體電路結構如圖所示。

本實驗所設計的CPU主要組成部分有：運算器（ALU）、控制器（Control Unit）、寄存器堆（Register Files）、取指電路及相關基礎部件（如選擇器）等構成。

具體的代碼實現請看：

Verilog HDL語言實現的單周期CPU設計（全部代碼及其註釋）

tz@COI HZAU

2018/7/10

單周期CPU設計的理論基礎