31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

时间:2024-03-25 20:32:19
  • 说在前面

开发环境:Vivado

语言:Verilog

cpu框架:Mips

控制器:组合逻辑

 鸽鸽鸽。。。

  • 指令分析流程
  1. 确定一条指令所需要的具体操作 
  2. 分析该条指令涉及的部件
  3. 确定各个部件的输入输出关系
  4. 画出数据通路图 

以ADD为例

首先我们需要根据PC从指令集合中取出这条指令然后将两个操作数相加 R[rd]→R[rs]+R[rt] ,最后将PC+4,指向下一条指令;

涉及部件:PC寄存器、指令存储器、寄存器、ALU

输入输出关系:

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

数据通路图:

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

 


  • 31条指令分析 

NPC:即PC+4,可以使用简单的加法实现                           PC:指令计数器

IMEM:指令存储器                                                               ADD8:加8操作

RegFiles:寄存器堆                                                             EXTn:将n位扩展

IR:指令寄存器                                                                     MUX:多路选择器

DMEM:数据存储器

下面东西太多了,我把总结放这里吧。 

在分析指令的时候一定要参考详细的指令说明,在上一篇中有,这样可以帮助理解指令过程;

这31条指令看似很多(其实真的很多),但是里面还是有很多是相似的,所以数据通路图几乎一样;

比较难的几条指令:lw、sw、jal、beq

建议自己分析一遍(很重要

下一篇将分析两张很大很大的表格,指令操作时间表以及整体数据输入输出关系表,这两张表对于整体的数据通路的设计以及控制器设计十分重要!!!

  • add

格式:add rd, rs, rt

描述:rd ← rs + rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • addu

格式:addu rd, rs, rt

描述:rd ← rs + rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • sub 

格式:sub rd, rs, rt

描述:rd ← rs - rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • subu

格式:subu rd, rs, rt

描述:rd ← rs - rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  and

格式:and rd, rs, rt

描述:rd ← rs and rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  or

格式:or rd, rs, rt

描述:rd ← rs or rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

 

  •  xor

格式:xor rd, rs, rt

描述:rd ← rs xor rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  nor

格式:nor rd, rs, rt

描述:rd ← rs nor rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

 

  •  slt

格式:slt rd, rs, rt

描述:rd ← (rs < rt); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT1

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • sltu

格式:sltu rd, rs, rt

描述:rd ← (rs < rt); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT1 

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • sll

格式:sll rd, rt, sa

描述:rd ← rt << sa (logical); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、Ext5 

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  srl

格式:srl rd, rt, sa

描述: rd ← rt >> sa (logical); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、Ext5

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  sra

格式:sra rd, rt, sa

描述: rd ← rt >> sa (arithmetic); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、Ext5

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • sllv

格式:sllv rd, rt, rs

描述:rd ← rt << rs [4:0] (logical); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT5 

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  srlv

格式:srlv rd, rt, rs

描述:rd ← rt >> rs [4:0] (logical); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT5

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  srav

格式:srav rd, rt, rs

描述:rd ← rt >> rs [4:0] (arithmetic); PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT5

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  • jr

格式:jr rs

描述:PC ← rs; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles 

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  addi

格式:addi rt, rs, immediate

描述:rt ← rs + immediate; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  addiu

格式:addiu rt, rs, immediate

描述:rt ← rs + immediate; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  andi

格式:andi rt, rs, immediate

描述:rt ← rs and immediate; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  ori

格式:ori rt, rs, immediate

描述:rt ← rs or immediate; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  xori

格式:xori rt, rs, immediate

描述:rt ← rs xor immediate; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  lw

格式:lw rt, offset(base)

描述:rt ← memory[rs + Sign_ext_offset]; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16、DMEM

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  sw

格式:sw rt, offset(base)

描述:memory[rs + Sign_ext_offset] ← rt; PC ← NPC (PC + 4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16、DMEM

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  beq

格式:beq rs, rt, offset

描述:rs == rt, PC ← NPC + Sign_ext (offset||02);否则PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT18、ADD

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  •  bne

格式:bne rs, rt, offset

描述:rs != rt, PC ← NPC + Sign_ext (offset||02);否则PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT18、ADD

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  slti

格式:slti rt, rs, immediate

描述:rt ← (rs < immediate); PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16、EXT1

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  sltiu

格式:sltiu rt, rs, immediate

描述:rt ← (rs < immediate); PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16、EXT1

31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(三)指令分析

  •  lui

格式:lui rt, immediate

描述:rt ← immediate || 016; PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、EXT16

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  •  j

格式:j target

描述:PC ← PC31-28 || instr_index || 02; PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、ALU、II

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  •  jal

格式:jal target

描述:GPR[31] ← PC + 8;PC ← PC31-28 || instr_index || 02;PC ← NPC(PC+4)

部件:PC、NPC、IMEN、RegFiles、ALU、II、ADD8

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