自己动手写CPU 笔记

自己动手写CPU

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• 1 处理器与MIPS
• 2 可编程逻辑器件与Verilog HDL
• 3 教学版OpenMIPS处理器蓝图
• 4 第一条指令ori
• 5 逻辑、移位与nop
• 6 移动
• 7 算术
• 8 转移
• 9 Load/Store
• 10 协处理器
• 11 异常
• 12 实践版OpenMIPS
• 13 小型SOPC
• 14 验证
• 15 移植uC/OS-II
• 16 附录A 教学版OpenMIPS各个模块的接口说明
• 17 附录B OpenMIPS实现的全部指令及相应机器码
• 18 參考文献

处理器与MIPS

1. 基本的ISA：x86 ARM SPARC Power MIPS

可编程逻辑器件与Verilog HDL

1. 不同PLD：PLA PAL GAL PROM EPLD CPLD FPGA
   1. 基于乘积项的：与或门＋存储元件（触发器）
   2. 基于查找表的：FPGA一般输入变量<=5
2. 原理图（Schematic）
3. Verilog HDL
   1. module
   2. port：input, output
   3. 数据类型：
      1. net型：wire（0 1 X Z） tri wor trior wand triand tri1 tri0 supply0 supply1
      2. variable型： reg integer real
   4. 逻辑功能：assign（堵塞= 非堵塞<=）
      1. always
         1. 敏感信号：电平/边沿（posedge, negedge）
      2. initial
   5. 编译指示：`define `include `ifdef ...
4. 综合（Synthesis）：算法／行为描写叙述 --> RTL --> 逻辑门级 --> PLD网表
5. ModelSim仿真

教学版OpenMIPS处理器蓝图

1. 5级流水线：取指、译码、运行、訪存、回写

第一条指令ori

逻辑、移位与nop

1. 相关问题（流水线引入了并发竞争？每一个阶段可视为单独的HDL模块）
   1. 数据相关：RAW WAR WAW ==> OpenMIPS仅仅存在RAW相关，比如：ori $1, $0, 0x1100; ori $2, $1, 0x0020
      1. p111 假设读取的寄存器是在下一个时钟上升沿要写入的。那么直接将要写入的数据作为结果输出
         1. if( reg2_read_o==1'b1 && ex_wreg_i==1'b1 && ex_wd_i==reg2_addr_o begin reg2_o <= ex_wdata_i; ...
      2. 插入暂停周期
      3. 编译器调度（指令重排）
      4. 数据前推

移动

1. 特殊寄存器HI、LO？

算术

1. 流水线暂停：保持PC不变，同一时候第n阶段之前的暂停
   1. CTRL模块：仅仅有译码、运行阶段可能会有暂停请求
2. 乘累加指令：这是不是有点背离了RISC的原则？
3. 除法指令（试商法）

转移

1. 延迟槽
   1. 在运行阶段假设转移。会有2条无效指令
   2. 仍然会导致已经进入取指阶段的指令无效：可在译码阶段进行转移推断。避免浪费时钟周期
2. p210 bal是bgezal的特殊情况（rs=0）

Load/Store

1. p258 Wishbone总线的相关规范？
2. p268 MIPS32特殊的信号量机制：不保证原子操作一定是原子性的，同意检測设置在没有原子性的情况下执行。但仅仅在确实原子执行的时候才让‘设置’生效
   1. 链接载入ll：LLbit
   2. 条件存储sc
3. load相关问题
   1. 在译码阶段检查是否与上一条指令存在load相关。假设存在。让译码、取指暂停，而运行、訪存、回写继续（相当于插入一个nop）

协处理器

1. MIPS32：CP0用作系统控制，CP1、CP3用作浮点处理。CP2保留
2. CP0中的寄存器
   1. Status
   2. MMU相关：EntryLo0/1 Context
   3. TLB相关：Index Random PageMask Wired EntryHi ...
   4. 异常：BadVAddr Cause EPC
   5. 定时中断：Compare

异常

1. 类型：Reset, Soft Reset, DSS DINT NMI, Machine Check, Interrupt, ...
2. 精确异常（k, 事务性？）
   1. 按指令运行的顺序处理异常，而不是依照异常发生的顺序？
3. 假设发生异常的指令在延迟槽中，那么保存到EPC的值是PC-4，否则PC
4. syscall
5. eret
6. p332 assign excepttype_o = {19'b0, excepttype_is_eret, 2'b0, instvalid, excepttype_is_syscall, 8'b0};

实践版OpenMIPS

小型SOPC

验证

移植uC/OS-II

附录A 教学版OpenMIPS各个模块的接口说明

附录B OpenMIPS所有指令来实现和相应的机器代码

参考