32位单周期risc处理器设计

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1、第一章32位单周期RISC处理器设计要设计一款处理器，首先要选择体系结构，本题选择的是RISC体系结构，因为它适合于流水线设计。然后需要选择一个标准的指令集，本题选择的MIPS指令集并按照常规的五段流水的方式来实现流水线。流水线的实现过程将在第二章介绍。1.1目标处理器指令集与指令格式本题目标CPU以能实现部分MIPS指令为目标，具体指令如下表1：类别指令格式算术运算加(add)R减(sub)R立即数加(addi)I立即数减(subi)I逻辑运算与(and)R或(or)R或非(nor)R立即数与(andi)I立即数或(ori)I立即数或非(nori

2、)I数据传递取字(lw)I存字(sw)I条件分支相等转移(beq)I小于比较(slt)R立即数小于比较(slti)I无条件跳转跳转(jL)J空操作空操作(nop)　表1目标CPU指令集1.2从指令具体行为反推设计方案CPU要执行一条指令，不外乎需要完成以下几个过程:取指令，指令译码，将译码出的指令放到算术逻辑运算部件ALU上执行运算，根据ALU算得的访存地址进行访存和将访存的结果写回寄存器等。当然，不同的指令类型（R、I、J）可能经过的过程稍有不同，即它们的数据通路有所不同，以下将具体介绍：1、R格式指令数据通路：1）从指令寄存器InstrMEM中

3、取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；132．）寄存器单元rs1和rs2的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU根据功能码Opcoder确定操作方式，对从寄存器堆读出的数据进行计算；4．）ALU运算结果被写入寄存器堆，由rd确定写入的寄存器堆存储单元地址。图1R指令数据通路2.I指令（除lw、sw和分支指令）数据通路如图2：1．）从指令寄存器InstrMem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展

4、后的指令低16位值相加；4．）ALU的运算结果被写入寄存器堆，由rt确定写入的寄存器堆存储单元地址。图2I指令（除lw、sw和分支指令）数据通路133、Lw指令数据通路如图3：1．）从指令寄存器InstrMem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加；4．）将ALU的运算结果作为数据存贮器的地址读出相应单元的内容；5）把从数据存储单元取出的数据写入寄存器堆，由rt确定写入的寄存器存储单元地址。图3L

5、W指令数据通路4、Sw指令数据通路如图4：1．）从指令寄存器InstrMem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1和rs2的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加；4．）将ALU的运算结果作为数据存贮器的写入地址，把从寄存器堆rs2单元中取出的数据写入数据存储器中。图4SW指令数据通路135）分支和跳转指令数据通路如图5：分支和跳转指令主要控制PC的输入来达到分支或跳转的目的。分支指令数据通路：1．）从指令寄存器InstrMem中取出指令

6、，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1和rs2的内容从寄存器堆RegFile中读出；同时主控制单元还计算各控制线应被设置的状态，具体状态表如表2所示；3．）ALU将从寄存器堆读出的两数相减，同时把PC+1的值与符号扩展后的指令低16位值相加，其结果即为分支目标地址；4．）根据ALU的Zero端口值和branch输出共同决定的PC的值：当Zero端口和branch的输出均为高电平时PC的值取第3步计算所得的分支目标地址，否则取第1步的PC+1值。跳转指令数据通路：1．）从指令寄存器InstrMem从取出指令，同时PC增值（

7、即加1等待下个CLK到来）；2．）主控制单元计算各控制线应被设置的状态，状态表如表2所示。PC+1的值的高6位[31~26]加上指令低26位（[25~0]）值组成跳转目标地址，根据主控制单元生成的Jump值决定是否跳转，Jump为1则PC的值取跳转目标地址，否则取其它地址。此外，对于空操作指令，只要把jump、branch、memwrite、memread、regwrite均设为低电平，就可以保证该指令进行空操作，即执行没有任何效果的操作。在理清各格式指令的数据通路后把它们综合在一起构成即构成目标CPU的总的数据通路，具体如图5。图5目标CPU数据

8、通路131.3目标处理器的控制处理器的控制主要为ALU的控制和主控制单元设计两个方面的问题。主控制单元的设计即为图5中Co