自己動手寫CPU

第一篇 理論篇

第1章 處理器與MIPS 2
1．1 計算機(jī)的簡單模型 2
1．1．1 計算機(jī)的簡單組成模型 2
1．1．2 計算機(jī)的簡單使用模型 3
1．2 架構(gòu)與指令集 4
1．2．1 CISC與RISC 4
1．2．2 主要的幾種ISA 5
1．3 MIPS指令集架構(gòu)的演變 6
1．4 MIPS32指令集架構(gòu)簡介 9
1．4．1 數(shù)據(jù)類型 9
1．4．2 寄存器 9
1．4．3 字節(jié)次序 10
1．4．4 指令格式 11
1．4．5 指令集 11
1．4．6 尋址方式 13
1．4．7 協(xié)處理器CP0 13
1．4．8 異常 14
1．5 本書的目標(biāo)與組織方式 14
第2章 可編程邏輯器件與
Verilog HDL 16
2．1 可編程邏輯器件概述 16
2．2 基于PLD的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程 18
2．2．1 設(shè)計輸入 19
2．2．2 綜合 20
2．2．3 布局布線 20
2．2．4 下載 20
2．2．5 仿真 20
2．2．6 工具介紹 21
2．3 Verilog HDL簡介 21
2．4 Verilog HDL中模塊的結(jié)構(gòu) 22
2．5 Verilog HDL基本要素 24
2．5．1 常量 24
2．5．2 變量聲明與數(shù)據(jù)類型 24
2．5．3 向量 26
2．5．4 運(yùn)算符 26
2．6 Verilog HDL行為語句 29
2．6．1 過程語句 29
2．6．2 賦值語句 31
2．6．3 條件語句 32
2．6．4 循環(huán)語句 34
2．6．5 編譯指示語句 35
2．6．6 行為語句的可綜合性 37
2．7 電路設(shè)計舉例 38
2．8 仿真 41
2．8．1 系統(tǒng)函數(shù) 42
2．8．2 Test Bench 43
2．8．3 ModelSim仿真 45
2．9 本章小結(jié) 48

第二篇 基礎(chǔ)篇

第3章 教學(xué)版OpenMIPS處理器
藍(lán)圖 50
3．1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 50
3．1．1 設(shè)計目標(biāo) 50
3．1．2 五級整數(shù)流水線 50
3．1．3 指令執(zhí)行周期 52
3．2 教學(xué)版OpenMIPS處理器接口 53
3．3 文件說明 54
3．4 實現(xiàn)方法 55
第4章 第一條指令ori的實現(xiàn) 58
4．1 ori指令說明 58
4．2 流水線結(jié)構(gòu)的建立 59
4．2．1 流水線的簡單模型 59
4．2．2 原始的OpenMIPS五級
流水線結(jié)構(gòu) 60
4．2．3 一些宏定義 62
4．2．4 取指階段的實現(xiàn) 63
4．2．5 譯碼階段的實現(xiàn) 65
4．2．6 執(zhí)行階段的實現(xiàn) 74
4．2．7 訪存階段的實現(xiàn) 78
4．2．8 回寫階段的實現(xiàn) 81
4．2．9 頂層模塊OpenMIPS
的實現(xiàn) 81
4．3 驗證OpenMIPS實現(xiàn)效果 85
4．3．1 指令存儲器ROM的實現(xiàn) 85
4．3．2 最小SOPC的實現(xiàn) 87
4．3．3 編寫測試程序 88
4．3．4 建立Test Bench文件 89
4．3．5 使用ModelSim檢驗OpenMIPS實現(xiàn)效果 90
4．4 MIPS編譯環(huán)境的建立 92
4．4．1 VisualBox的安裝與設(shè)置 93
4．4．2 GNU工具鏈的安裝 96
4．4．3 使用GNU工具進(jìn)行編譯 97
4．4．4 使用GNU工具進(jìn)行鏈接 99
4．4．5 得到ROM初始化文件 102
4．4．6 編寫Makefile文件 103
4．5 第一條指令實現(xiàn)小結(jié) 105
第5章 邏輯、移位操作與空指令
的實現(xiàn) 107
5．1 流水線數(shù)據(jù)相關(guān)問題 107
5．2 OpenMIPS對數(shù)據(jù)相關(guān)問題的
解決措施 111
5．3 測試數(shù)據(jù)相關(guān)問題解決效果 115
5．4 邏輯、移位操作與空指令說明 115
5．5 修改OpenMIPS以實現(xiàn)邏輯、
移位操作與空指令 119
5．5．1 修改譯碼階段的ID模塊 120
5．5．2 修改執(zhí)行階段的EX模塊 127
5．6 測試程序1――測試邏輯
操作實現(xiàn)效果 129
5．7 測試程序2――測試移位
操作與空指令實現(xiàn)效果 130
5．8 小結(jié) 131
第6章 移動操作指令的實現(xiàn) 132
6．1 移動操作指令說明 132
6．2 移動操作指令實現(xiàn)思路 133
6．2．1 實現(xiàn)思路 133
6．2．2 新的數(shù)據(jù)相關(guān)情況的
解決 135
6．2．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 136
6．3 修改OpenMIPS以實現(xiàn)移動
操作指令 137
6．3．1 HI、LO寄存器的實現(xiàn) 137
6．3．2 修改譯碼階段的ID模塊 138
6．3．3 修改執(zhí)行階段 141
6．3．4 修改訪存階段 146
6．3．5 修改回寫階段 149
6．3．6 修改OpenMIPS頂層
模塊 149
6．4 測試程序 150
第7章 算術(shù)操作指令的實現(xiàn) 152
7．1 簡單算術(shù)操作指令說明 153
7．2 簡單算術(shù)操作指令實現(xiàn)思路 156
7．3 修改OpenMIPS以實現(xiàn)簡單
算術(shù)操作指令 157
7．3．1 修改譯碼階段的ID模塊 157
7．3．2 修改執(zhí)行階段的EX模塊 164
7．4 測試簡單算術(shù)操作指令
實現(xiàn)效果 171
7．5 流水線暫停機(jī)制的設(shè)計
與實現(xiàn) 174
7．5．1 流水線暫停機(jī)制設(shè)計 174
7．5．2 流水線暫停機(jī)制實現(xiàn) 175
7．6 乘累加、乘累減指令說明 180
7．7 乘累加、乘累減指令實現(xiàn)思路 181
7．7．1 實現(xiàn)思路 181
7．7．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 181
7．8 修改OpenMIPS以實現(xiàn)乘
累加、乘累減指令 182
7．8．1 修改譯碼階段的ID模塊 182
7．8．2 修改執(zhí)行階段的EX模塊 184
7．8．3 修改EX/MEM模塊 189
7．8．4 修改OpenMIPS模塊 190
7．9 測試乘累加、乘累減指令
實現(xiàn)效果 190
7．10 除法指令說明 191
7．11 除法指令實現(xiàn)思路 192
7．11．1 試商法 192
7．11．2 實現(xiàn)思路 193
7．11．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 193
7．12 修改OpenMIPS以實現(xiàn)
除法指令 194
7．12．1 增加DIV模塊 194
7．12．2 修改譯碼階段的ID
模塊 199
7．12．3 修改執(zhí)行階段的EX
模塊 200
7．12．4 修改OpenMIPS模塊 204
7．13 測試除法指令實現(xiàn)效果 204
7．14 數(shù)據(jù)流圖的修改 205
第8章 轉(zhuǎn)移指令的實現(xiàn) 206
8．1 延遲槽 206
8．2 轉(zhuǎn)移指令說明 207
8．3 轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)思路 210
8．3．1 實現(xiàn)思路 210
8．3．2 數(shù)據(jù)流圖的修改 210
8．3．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 211
8．4 修改OpenMIPS以實現(xiàn)
轉(zhuǎn)移指令 212
8．4．1 修改取指階段的PC模塊 212
8．4．2 修改譯碼階段 213
8．4．3 修改執(zhí)行階段的EX 模塊 223
8．4．4 修改OpenMIPS模塊 225
8．5 測試轉(zhuǎn)移指令的實現(xiàn)效果 225
8．5．1 測試跳轉(zhuǎn)指令 225
8．5．2 測試分支指令 227
第9章 加載存儲指令的實現(xiàn) 230
9．1 加載存儲指令說明 230
9．1．1 加載指令lb、lbu、lh、
lhu、lw說明 230
9．1．2 存儲指令sb、sh、sw
說明 231
9．1．3 加載存儲指令用法示例 232
9．1．4 加載指令lwl、lwr說明 233
9．1．5 存儲指令swl、swr說明 235
9．2 加載存儲指令實現(xiàn)思路 238
9．2．1 實現(xiàn)思路 238
9．2．2 數(shù)據(jù)流圖的修改 239
9．2．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 240
9．3 修改OpenMIPS以實現(xiàn)加載
存儲指令 240
9．3．1 修改譯碼階段 240
9．3．2 修改執(zhí)行階段 247
9．3．3 修改訪存階段 249
9．3．4 修改OpenMIPS頂層模塊 260
9．4 修改最小SOPC 261
9．4．1 添加數(shù)據(jù)存儲器RAM 262
9．4．2 修改最小SOPC 264
9．5 測試程序 265
9．6 鏈接加載指令ll、條件存儲
指令sc說明 267
9．7 ll、sc指令實現(xiàn)思路 269
9．7．1 實現(xiàn)思路 269
9．7．2 數(shù)據(jù)流圖的修改 270
9．7．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 271
9．8 修改OpenMIPS以實現(xiàn)ll、
sc指令 271
9．8．1 LLbit寄存器的實現(xiàn) 271
9．8．2 修改譯碼階段的ID模塊 273
9．8．3 修改訪存階段 275
9．8．4 修改OpenMIPS模塊 279
9．9 測試ll、sc指令實現(xiàn)效果 279
9．10 load相關(guān)問題 281
9．10．1 load相關(guān)問題介紹 281
9．10．2 解決方法 281
9．11 修改OpenMIPS以解決load
相關(guān)問題 283
9．11．1 修改譯碼階段的ID
模塊 283
9．11．2 修改OpenMIPS模塊 284
9．12 測試load相關(guān)問題解決效果 285
9．13 小結(jié) 286
第10章 協(xié)處理器訪問指令的實現(xiàn) 287
10．1 協(xié)處理器介紹 287
10．2 協(xié)處理器CP0中的寄存器 288
10．3 協(xié)處理器CP0的實現(xiàn) 295
10．4 協(xié)處理器訪問指令說明 300
10．5 協(xié)處理器訪問指令實現(xiàn)思路 300
10．5．1 實現(xiàn)思路 300
10．5．2 數(shù)據(jù)流圖的修改 301
10．5．3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的修改 301
10．6 修改OpenMIPS以實現(xiàn)協(xié)
處理器訪問指令 303
10．6．1 修改譯碼階段 303
10．6．2 修改執(zhí)行階段 305
10．6．3 修改訪存階段 311
10．6．4 修改OpenMIPS模塊 314
10．7 測試程序 314
第11章 異常相關(guān)指令的實現(xiàn) 316
11．1 MIPS32架構(gòu)中定義的異常
類型 316
11．2 精確異常 318
11．3 異常處理過程 319
11．4 異常相關(guān)指令介紹 321
11．4．1 自陷指令 321
11．4．2 系統(tǒng)調(diào)用指令syscall 324
11．4．3 異常返回指令eret 325
11．5 異常處理實現(xiàn)思路 325
11．5．1 實現(xiàn)思路 325
11．5．2 修改數(shù)據(jù)流圖 326
11．5．3 修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 326
11．6 修改OpenMIPS以實現(xiàn)異常
處理 328
11．6．1 修改取指階段 328
11．6．2 修改譯碼階段 330
11．6．3 修改執(zhí)行階段 339
11．6．4 修改訪存階段 346
11．6．5 修改協(xié)處理器CP0 352
11．6．6 修改控制模塊CTRL 355
11．6．7 修改OpenMIPS 357
11．7 再次修改最小SOPC 358
11．8 測試程序 359
11．8．1 測試程序1――測試
系統(tǒng)調(diào)用異常 359
11．8．2 測試程序2――測試
自陷異常 361
11．8．3 測試程序3――測試
時鐘中斷 364
11．9 教學(xué)版OpenMIPS處理器
實現(xiàn)小結(jié) 366

第三篇 進(jìn)階篇

第12章 實踐版OpenMIPS處理器
設(shè)計與實現(xiàn) 368
12．1 實踐版OpenMIPS處理器的
設(shè)計目標(biāo) 368
12．2 Wishbone總線介紹 370
12．2．1 Wishbone總線接口
說明 370
12．2．2 Wishbone總線單次
讀操作的過程 372
12．2．3 Wishbone總線單次寫
操作的過程 373
12．2．4 SEL_O/SEL_I信號說明 374
12．3 實踐版OpenMIPS處理器
接口 375
12．4 實踐版OpenMIPS處理器的
實現(xiàn)思路 376
12．4．1 實現(xiàn)思路 376
12．4．2 修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 377
12．5 從教學(xué)版OpenMIPS到
實踐版OpenMIPS 378
12．5．1 Wishbone總線接口模塊
的實現(xiàn) 378
12．5．2 修改CTRL模塊 384
12．5．3 修改OpenMIPS頂層
模塊 386
12．6 實踐版OpenMIPS處理器
實現(xiàn)小結(jié) 386
第13章 基于實踐版OpenMIPS的
小型SOPC 387
13．1 小型SOPC的結(jié)構(gòu) 387
13．2 Wishbone總線互聯(lián)
矩陣WB_CONMAX 388
13．3 GPIO 390
13．4 UART控制器 392
13．4．1 UART簡介 392
13．4．2 UART16550 IP核介紹 394
13．5 Flash控制器 398
13．5．1 Flash簡介 398
13．5．2 Flash控制器的設(shè)計 399
13．5．3 Flash控制器的實現(xiàn) 400
13．6 SDRAM控制器 403
13．6．1 SDRAM簡介 403
13．6．2 SDRAM CONTROLLER
IP核 409
13．7 實現(xiàn)基于實踐版OpenMIPS
的小型SOPC 412
13．8 本章小結(jié) 423
第14章 驗證實踐版OpenMIPS
處理器 424
14．1 DE2平臺簡介 424
14．2 測試需要的硬件連接 425
14．3 QuartusII工程建立 426
14．4 測試步驟說明 430
14．5 測試一――GPIO實驗 431
14．5．1 測試內(nèi)容 431
14．5．2 測試程序 431
14．5．3 編譯測試程序 432
14．5．4 將測試程序?qū)懭?
Flash芯片 433
14．5．5 下載小型SOPC
到DE2 435
14．5．6 測試效果 435
14．6 測試二――UART實驗 435
14．6．1 測試內(nèi)容 435
14．6．2 測試程序 436
14．6．3 測試效果 438
14．7 測試三――模擬操作系統(tǒng)的
加載過程 439
14．7．1 測試內(nèi)容 439
14．7．2 測試程序BootLoader 439
14．7．3 測試程序SimpleOS 443
14．7．4 將測試程序?qū)懭隖lash 446
14．7．5 測試效果 448
14．8 本章小結(jié) 449
第15章 為OpenMIPS處理器
移植μC/OS-II 450
15．1 為什么需要操作系統(tǒng) 450
15．2 嵌入式實時操作系統(tǒng)介紹 451
15．3 μC/OS-II簡介 452
15．4 μC/OS-II特點(diǎn) 452
15．5 μC/OS-II的幾個概念 454
15．5．1 任務(wù) 454
15．5．2 任務(wù)調(diào)度 456
15．5．3 任務(wù)切換 456
15．5．4 μC/OS-II的中斷處理 457
15．5．5 時鐘節(jié)拍 457
15．5．6 μC/OS-II的初始化 458
15．5．7 μC/OS-II的啟動 458
15．6 μC/OS-II的基本功能 458
15．6．1 任務(wù)間的通信與同步 459
15．6．2 任務(wù)管理 459
15．6．3 時間管理 459
15．6．4 內(nèi)存管理 460
15．7 μC/OS-II的文件體系 460
15．8 μC/OS-II的移植條件 461
15．9 C語言中使用匯編代碼 463
15．10 MIPS函數(shù)調(diào)用規(guī)范 465
15．10．1 寄存器使用規(guī)范 465
15．10．2 參數(shù)傳遞 466
15．10．3 函數(shù)返回值 466
15．10．4 堆棧布局 467
15．10．5 示例 468
15．11 μC/OS-II在OpenMIPS
處理器上的移植 470
15．11．1 文件目錄的建立 470
15．11．2 修改os_cpu．h文件 473
15．11．3 修改os_cpu_a．S文件 474
15．11．4 修改os_cpu_c．c文件 496
15．12 測試程序 500
15．12．1 創(chuàng)建openmips．h文件 500
15．12．2 創(chuàng)建openmips．c文件 502
15．13 編譯指示文件的建立 508
15．14 OpenMIPS處理器運(yùn)行
移植后的μC/OS-II 515
15．15 本章小結(jié) 516
附錄A 教學(xué)版OpenMIPS各個模塊
的接口說明 517
A．1 PC模塊接口說明 517
A．2 IF/ID模塊接口說明 518
A．3 ID模塊接口說明 518
A．4 Regfile模塊接口說明 520
A．5 ID/EX模塊接口說明 520
A．6 EX模塊接口說明 521
A．7 DIV模塊接口說明 524
A．8 EX/MEM模塊接口說明 525
A．9 MEM模塊接口說明 527
A．10 MEM/WB模塊接口說明 529
A．11 CP0模塊接口說明 530
A．12 LLbit模塊接口說明 532
A．13 HILO模塊接口說明 532
A．14 CTRL模塊接口說明 533
附錄B OpenMIPS實現(xiàn)的所有
指令及對應(yīng)的機(jī)器碼 534
B．1 邏輯操作指令 534
B．2 移位操作指令 534
B．3 移動操作指令 535
B．4 算術(shù)操作指令 535

















B．5 轉(zhuǎn)移指令 536
B．6 加載存儲指令 536
B．7 協(xié)處理器訪問指令 537
B．8 異常相關(guān)指令 537
B．9 空指令及其他指令 537
參考文獻(xiàn) 538