基于FPEG的SOC设计-mips指令系统-(数据通路图)

实验MIPS指令系统和MIPS体系结构1.1 实验目的1.了解和熟悉指令集模拟器。

2. 熟练掌握模拟器MIPSsim的操作和使用方法。

3. 熟悉MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理解。

4. 熟悉MIPS体系结构。

1.2 实验平台实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim1.3 实验内容和步骤首先要阅读MIPSsim模拟器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系统和汇编语言。

1. 启动MIPSsim2. 选择“配置”→“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方式下。

3．参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。

可以先载入一个样例程序，然后分别以单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化。

4．选择“文件”→“载入程序”选项，加载样例程序alltest.s，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置。

（起始地址为0x00000000）5．查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：[PC]=0x000000006. 执行load和store指令,步骤如下：（1）单步执行一条指令（F7）（2）下一条指令地址为0x00000004 ，是一条有(有，无)符号载入字节（字节，半字，字）指令。

（3）单步执行一条指令（F7）（4）查看R1的值，[R1] =0xFFFFFFFFFFFFFF80 。

（5）下一条指令地址为0x00000008 ，是一条有(有，无)符号载入字（字节，半字，字）指令。

（6）单步执行一条指令。

（7）查看R1的值，[R1] =0x0000000000000080 。

（8）下一条指令地址为0x0000000C ，是一条无(有，无)符号载入字节（字节，半字，字）指令。

（9）单步执行一条指令。

（10）查看R1的值，[R1] =0x0000000000000080 。

（11）单步执行一条指令。

课程设计说明书〔论文〕课程名称：数字集成系统课程设计设计题目：基于MIPS指令的单周期微控制器设计院系：航天学院微电子科学与技术系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2015年7月27日-2015年8月7日一、功能描述基于MIPS指令的单周期微控制器设计：l_w和s_w指令的实现：控制器实现支持load word(lw)、store word(sw)指令的MIPS单周期数据通路：l_w：存放器rs中的数据和立即数imm相加，得到存储器地址，用这个地址访问存储器，把得到的存储器数据写入存放器rt中。

把PC + 4写入PC。

s_w：存放器rs中的数据和立即数imm相加，得到存储器地址，把存放器rt中的数据写入这个地址的存储器中。

把PC + 4写入PC。

二、设计方案：1.整体框图：2.模块划分：如下图中，各个大模块中还包含：立即数符号位扩展，存放器堆，存储器，ALU，指令存放器，PC，控制部件3.模块连接框图：4.总体设计思想：我设计的局部主要包三四局部，分别为：指令存放器、存放器堆、和存储器，额外还有一个Alu，即加法器和一个pc，即程序计数器，是借助同组同学编译的程序。

存取指令需要两个状态单元，计算下一个指令地址需要一个加法器，两个状态单元分别是指令存放器和程序存放器。

指令存放器是制度的，任意时刻的输出都反映了输入的地址的内容，而不需要读控制信号。

程序计数器是一个32位的存放器，让在每个时钟周期末都会被写入。

加法器被设计为只进展加法运算的ALU，他将输入的俩个32位数相加将结果输出。

Mips指令执行时，首先需要的是指令存储器，用来存储指令，并根据所给地址提供指令，指令地址存放在pc中，pc的设计还需要一个加法器来指向下一个指令的地址。

在执行R型指令时，读两个存放器，对他们中的内容进展Alu操作，再写出结果。

处理器的32个存放器组成一个存放器堆的结构，即register。

在读取指令的时候，一般形式为：op rs rt imm，此时需要将一个16位的立即数带符号扩大为32位，然后和rs地址内的内容通过Alu加法器相加，如果是读取指令即load word ,即得出的是存储器地址，将得出的存储器地址内的内容写入rt所指的存放器地址处，如果是存储指令即store word，即得出的存储器地址用来写入rt地址内的所存内容。

（4）选择“文件”->“载入程序”选项，加载样例程序 alltest.asm，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置（起始地址为0x00000000）。
（5）查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：[PC]=0X 00000000。
（6）执行load和store指令，步骤如下：
1）单步执行一条指令（F7）。
8）下一条指令地址为0X 0000000c，是一条无（有，无）符号载入字1（字节，半字，字）指令。
9）单步执行1条指令。
10）查看R1的值，[R1]=0X 128。
11）单步执行1条指令。
12）下一条指令地址为0X 00000014，是一条保存字（字节，半字，字）指令。
13）单步执行一条指令（F7）。
实验步骤
（1）启动MIPSsim（用鼠标双击MIPSsim.exe）。
（2）选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方式。
（3）参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以
单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化。
14）查看内存BUFFER处字的值，值为0X 00000018。
（7）执行算术运算类指令。步骤如下：
1)双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为2。
2)双击“寄存器”窗口中的R2，将其值修改为3。
3)单步执行一条指令。
4)下一条指令地址为0x00000020，是一条加法指令。
5)单步执行一条指令。
6)查看R3的值，[R3]= 0x5。
2）下一条指令地址为=0X 00000004，是一条有（有，无）符号载入字节（字节，半字，字）指令。

结果寄存器互锁（运算未完成之前读取结果会使 CPU停下等待）
2.4 加载与存储：寻址方式
lw $1,offset($2) offset：有符号16位数字（-32768~32767），前后各32K 加载所需地址=offset+$2寄存器的值
2.5 存储器与寄存器的数据类型
（1）字节byte和halfword的加载方式
第二章 MIPS体系结构
2.1 MIPS汇编语言风格
#：注释 ;：一行中多条指令用分号隔开 :：单词后面跟着冒号指标号，代码中的入口点和命名 数据区的一个存储位置 三种指令格式（所有指令都是32位）： R类型 I类型 J类型
（1）R型指令（从寄存器堆中取出两个操作数，
计算结果写回寄存器堆）
6bits
核心态：CPU可以存储地位地址，和用户态一样，地址 做同样的转换。
模拟32位 指令 时寄存器存放 的是32位值的 64位符号扩展。
2.9 流水线可见性
(1)分支延迟
分支延迟槽中指令即使跳转成功也会执行。MIPS II引入可能 分支branch-likely指令，延迟槽中指令仅在分支被接受的情况下 执行。
（4）kseg2：0xC000_0000~0xFFFF_FFFFf（1G）
核心态下使用，需MMU转换。
若需要512M之上的物理地址空间，可以设置存储器 管理单元TLB（第六章） 或使用64位CPU的额外空间。 用户态：用户地址经MMU转换成物理地址，2G以上程 序地址是非法的，某些指令（如CPU控制指令）是非法 的
（3）kseg1：0xA000_0000~0xBFFF_FFFF（512M）
最高三位清零映射到低端512M的物理地址，unmapped， uncached。唯一一个系统重启能正常工作的地址空间，复位入 口地址0xBFC0_0000，相应物理地址0x1FC0_0000。存储初始的 程序ROM或用作I/O寄存器。