《自己动手写CPU》学习记录（1）——第1章

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引言

此专栏的文章记录自己学习《自己动手写CPU》的过程。算是一个学习笔记，里面也会夹杂个人的思考以及代码编写。希望自己可以像作者一样，坚持到最后。加油~~

本篇学习MIPS32处理器的基本架构。

致谢

感谢书籍《自己动手写CPU》及其作者雷思磊。一并感谢开源精神。

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目录

引言

致谢

处理器与MIPS

1、计算机的简单模型

2、架构与指令集

3、MIPS的ISA演变

4、MIPS32 Release 1 指令集架构

1、数据类型

2、寄存器

3、字节次序

4、指令格式

5、指令集

6、寻址方式

7、协处理器CP0

8、异常

硬件描述语言 Verilog

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处理器与MIPS

1、计算机的简单模型

 计算机主要由三大组成部分构成：处理器、输入输出、存储器。

 汇编指令将助记符进行译码，变为二进制数据，供计算机识别、执行。

高级语言先通过编译变为汇编语言，然后通过汇编指令将指令翻译为二进制编码数据。

2、架构与指令集

指令集架构（ISA）：包括了一套指令集和一些寄存器。面向ISA编程的最大优点就是，程序的执行无关处理器类型，无关硬件。ISA本身是一个抽象物，不涉及任何实现的硬件与环境。

微架构：是ISA的具体实现。

同样的ISA，不同的微架构则会带来不同的性能。

根据不同的ISA，可将计算机分为两类：复杂指令集计算机（CISC）、精简指令集计算机（RISC）。二者的主要区别在于：

CISC指令编码长度不一致；

RISC指令编码长度一致且固定；

ISA种类：

x86：属CISC范畴

ARM：Acorn RISC Machine ，属RISC范畴，目前ARM公司仅作CPU内核设计，不做具体的芯片制造和生产。其产品侧重于低功耗、低成本，主要面向嵌入式应用。

SPARC：Scalable Processor ARChitecture ，可扩展处理器架构。属RISC范畴。

POWER：Performance Optimization With Enhanced RISC ，属RISC范畴。IBM公司的产品。

MIPS：Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无内锁流水线处理器。属RISC范畴。其设计理念：使用简单的指令，结合优秀的编译器，采用流水线执行指令的硬件，就可以用更少的晶圆面积生产更快的处理器。龙芯处理器采用的就是此架构。

3、MIPS的ISA演变

4、MIPS32 Release 1 指令集架构

该参考数目的处理器设计就是遵循 MIPS32 Release 1 架构。 

1、数据类型

• 位（b）：长度为 1 bit；
• 字节（Byte）:长度为8 bit；
• 半字（HalfWord）:长度16 bit；
• 字（Word）:长度为 32 bit；
• 双字（Double Word）:长度为 64bit；
• 另：32位单精度浮点数，64位双精度浮点数；

2、寄存器

MIPS32的指令中处了 加载/存储 指令外，其他指令都是用寄存器或者立即数作为操作数。因为寄存器的存取可以在一个时钟周期内完成。

MIPS32中的寄存器类别：通用寄存器、特殊寄存器。

1、通用寄存器

MIPS32架构定义了 32 个 32 位宽的寄存器，用 $0 ~ $31表示。$0 一般用作常量 0；

实际使用中，寄存器一般遵循如下的约定：

2、特殊寄存器

MIPS32中的特殊寄存器有3个：PC（程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器）、LO（乘除结果地位寄存器）。乘法运算时，HI保存乘法结果的高32位，LO保存低32位。除法运算时，HI存储余数，LO存储商。 

3、字节次序

 数据在存储器中的存取都是以字节为单位的，所以当存取的数据的位宽多于1个字节时，就需要明确数据的大小端模式。

大端模式：MSB，数据高位存储于低地址；

小端模式： LSB，数据低位保存在低地址；

参考书中MIPS32的实现是大端模式。

示例：

4、指令格式

MIPS32的架构中，指令位宽都是32。

 图中 op 为指令码；func 为功能码；

5、指令集

1、逻辑操作指令

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

2、移位操作指令

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

3、移动操作指令

 包含6条指令：movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo

4、算术操作指令

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

5、转移指令

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

6、加载存储指令

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

7、协处理器访问指令

包含2条指令：mtc0、mfc0

8、异常相关指令

包含14条指令，其中12条自陷指令：teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tltiu、tnei；系统调用指令：syscall、异常返回指令：eret

9、其余指令

包含4条指令：nop、ssnop、sync、pref

6、寻址方式

MIPS32架构的寻址方式：寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址、PC相对寻址。

1、寄存器相对寻址：

 2、PC相对寻址

7、协处理器CP0

MIPS32架构提供了最多 4 个协处理器，分别是 CP0 ~ CP3。其中CP0用作系统控制，CP1、CP3作浮点处理单元。CP2用于特定实现。除CP0以外的协处理器都是可选的。

协处理器CP0，主要的作用：

配置CPU工作状态；

高速缓存控制；

异常控制；

存储单元管理；

8、异常

硬件描述语言 Verilog

此部分本人比较了解，就不再记录。建议初学者查看我的下面的专栏，快速了解Verilog HDL语法：

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