一、题目背景和意义 二、国内外研究现状 (略)
三、MIPS指令集处理器设计与实现
(一).MIPS指令集功能性梳理
1.MIPS指令集架构
(1).mips基础指令集格式总结
MIPS是（Microcomputer without interlocked pipeline stages）[10]的缩写，含义是无互锁流水级微处理器。MIPS 是最早、最成功的RISC处理器之一[11]，源于Stanford 大学的John Hennessy 教授的研究成果。（Hennessy 于1984年在硅谷创建了MIPS公司）。MIPS的指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、 MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展 已经十分成熟。应用广泛的32位MIPS CPU包括R2000，R3000 其ISA都是MIPS I，另一个广泛使用的、含有许多 重要改进的64位MIPS CPU R4000及其后续产品，其ISA版本为MIPS III。MIPS指令集编码规范。要完成一个完整最小系统的搭建，首先应参考MIPS官方文档[12]，将要实现的指令从功能角度、数据通路角度、编码角度归类。功能角度分类，目的是为了方便对指令类别进行归类梳理，对设计勾勒出框架性思维；从数据通路角度归类，是为了方便控制单元的编程设计，如“ADD、SUB、AND、OR...”等指令只是ALU工作方式码不同，数据通路完全一致。而从编码角度分类，是为了方便处理器的HDL编程设计，将同一类指令归在一个代码块下，避免代码长度过于冗余。从功能角度看，MIPS32基础指令分为算术运算指令、逻辑运算指令、访存指令、转移指令、分支指令和跳转指令。其中，分支指令和跳转指令不是同一类指令：MIPS 体系架构的跳转、分支和子程序调用指令沿用了 Motorola标准的命名规则[17]：
a.PC 相对地址跳转指令称为“分支”，绝对地址跳转指令称为“跳转”，相应的助记符分别以 b(branch) 和 j (jump)开头。
b.子程序调用称为 “跳转并链接” 或 “分支并链接”，相应的助记符以 al 结尾。
MIPS 32位处理器的指令格式分为Reg型(寄存器型)、Imm型(立即数型)和Jump型(跳转型)。R型为寄存器型，即两个源操作数和目的操作数都是寄存器性。I型为操作数含有立即数。而J型特指转移类型指令，如下表1所示。
表1 MIPS指令类型[13]
| 基本MIPS 指令集(共52条） | ||||||||
| 助记符 | 指令编码 | 格式 | 操作及其解释 | |||||
| Bit # | 31..26 | 25..21 | 20..16 | 15..11 | 10..6 | 5..0 | ||
| Reg-type | Op | rs | rt | rd | shamt | func | ||
| add | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100000 | ADD rd, rs, rt | rd←rs + rt |
| addu | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100001 | ADDU rd, rs, rt | rd←rs + rt(unsigned) |
| sub | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100010 | SUB rd, rs, rt | rd←rs - rt |
| subu | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100011 | SUB rd, rs, rt | rd←rs - rt(unsigned) |
| and | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100100 | AND rd, rs, rt | rd←rs and rt |
| or | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100101 | OR rd, rs, rt | rd←rs or rt |
| xor | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100110 | XOR rd, rs, rt | rd←rs xor rt |
| nor | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100111 | NOR rd, rs, rt | rd←rs nor rt |
| slt | 0 | rs | rt | rd | 0 | 101010 | SLT rd, rs, rt | rd ← (rs < rt) |
| sltu | 0 | rs | rt | rd | 0 | 101011 | SLTU rd, rs, rt | rd ← (rs < rt) |
| sll | 0 | 0 | rt | rd | shamt | 0 | SLL rd, rs, rt | rd ← rt << sa |
| srl | 0 | 0 | rt | rd | shamt | 10 | SRL rd, rs, rt | rd ← rt >> sa |
| sra | 0 | 0 | rt | rd | shamt | 11 | SRA rd, rs, rt | rd← rt>>sa(arithmetic) |
| sllv | 0 | rs | rt | rd | 0 | 100 | SLLV rd, rs, rt | rd ← rt << rs |
| srlv | 0 | rs | rt | rd | 0 | 110 | SRLV rd, rs, rt | rd ← rt >> sa |
| srav | 0 | rs | rt | rd | 0 | 111 | SRAV rd, rs, rt | rd← rt>>sa(arithmetic) |
| jr | 0 | rs | 0 | 0 | 0 | 1000 | JR rs | PC ← rs |
| clo | 11100 | rs | rt | rd | 0 | 100001 | CLO rd, rs, rt | rd← count_leading_ones rs |
| clz | 11100 | rs | rt | rd | 0 | 100000 | CLZ rd, rs, rt | rd←count_leading_zeros rs |
| mult | 0 | rs | rt | 0 | 0 | 11000 | MULT rs, rt | (HI, LO) ← rs × rt |
| multu | 0 | rs | rt | 0 | 0 | 11001 | MULTU rs, rt | (HI, LO) ← rs × rt |
| mul | 11100 | rs | rt | rd | 0 | 10 | MUL rd, rs, rt | rd ← rs × rt |
| div | 0 | rs | rt | 0 | 0 | 11010 | DIV rs, rt | (HI, LO) ← rs / rt |
| divu | 0 | rs | rt | 0 | 0 | 11011 | DIV rs, rt | (HI, LO) ← rs / rt |
| jalr | 0 | rs | 0 | rd | 0 | 1001 | JALR rd, rs | rd ← return_addr,PC ← rs |
| movn | 0 | rs | rt | rd | 0 | 1011 | MOVN rd, rs, rt | if rt ≠ 0 then rd ← rs |
| movz | 0 | rs | rt | rd | 0 | 1010 | MOVZ rd, rs, rt | if rt = 0 then rd ← rs |
| mflo | 0 | 0 | 0 | rd | 0 | 10010 | MFLO rd | rd ← LO |
| mfhi | 0 | 0 | 0 | rd | 0 | 10000 | MFHI rd | rd ← HI |
| mtlo | 0 | rs | 0 | 0 | 0 | 10011 | MTLO rs | LO ← rs |
| mthi | 0 | rs | 0 | 0 | 0 | 10001 | MTHI rs | HI ← rs |
| nop | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | NOP | To perform no operation |
| Imm-type | op | rs | rt | immediate | ||||
| addi | 1000 | rs | rt | immediate | ADDI rt,rs,immediate | rt ← rs + immediate | ||
| addiu | 1001 | rs | rt | immediate | ADDIU rt,rs,immediate | rt ← rs + immediate | ||
| andi | 1100 | rs | rt | immediate | ANDI rt,rs,immediate | rt ← rs and immediate | ||
| ori | 1101 | rs | rt | immediate | ORI rt,rs,immediate | rt ← rs or immediate | ||
| xori | 1110 | rs | rt | immediate | XORI rt,rs,immediate | rt ← rs xor immediate | ||
| lui | 1111 | 0 | rt | immediate | LUI rt, immediate | rt ← immediate || 0000H | ||
| lw | 100011 | rs | rt | immediate | LW rt,rs,immediate | rt←memory[pc+offset] | ||
| sw | 101011 | rs | rt | immediate | SW rt,rs,immediate | memory[pc+offset]←rt | ||
| beq | 100 | rs | rt | offset | BEQ rs, rt, offset | if rs = rt then branch | ||
| bne | 101 | rs | rt | offset | BNE rs, rt, offset | if rs ≠ rt then branch | ||
| slti | 1010 | rs | rt | immediate | SLTI rt,rs,immediate | rt ← (rs < immediate) | ||
| sltiu | 1011 | rs | rt | immediate | SLTI rt,rs,immediate | rt ← (rs < immediate) | ||
| bgez | 1 | rs | 1 | offset | BGEZ rs, offset | if rs ≥ 0 then branch | ||
| bgtz | 111 | rs | 0 | offset | BGTZ rs, offset | if rs > 0 then branch | ||
| blez | 110 | rs | 0 | offset | BLEZ rs, offset | if rs ≤ 0 then branch | ||
| bltz | 1 | rs | 0 | offset | BLTZ rs, offset | if rs < 0 then branch | ||
| bgezal | 1 | rs | 11 | offset | BGEZAL rs, offset | If rs≥0 then call | ||
| bltzal | 1 | rs | 10 | offset | BLTZAL rs, offset | if rs< 0 then call | ||
| Jump-type | op | address | ||||||
| j | 10 | address | J target | PC←PCGPRLEN-1..28|| instr_index||00 | ||||
| jal | 11 | address | JAL target | PC ←PCGPRLEN-1..28|| instr_index||00,GPR[31]← PC + 8 | ||||
表2 MIPS指令编码分类[14]
(2).mips通用寄存器协议总结
表3 通用寄存器用途协议[15]
MIPS体系结构下的寄存器都是32位字长。且其为RISC系统结构，特点为寄存器很多，以减少访存指令的执行频率。0--31共32个寄存器，对应地址为五位通用寄存器地址码，rs、rt、rd寄存器地址都是五位字长。
2.MIPS系统架构设计
为了体现层次递进、逐步扩展的设计思路，以MIPScpu_core为核心，先设计支持18条指令的处理器-零号机，在其基础上扩展设计支持五级流水线的初号机，以支持54条基础MIPS指令。在初号机的基础上，增加系统控制硬件模块，以保证RTOS的实时性。最后在CPU外补充外围电路，设计SOC顶层。
从设计步骤上，基于quartus 17.1先编写每个模块的verilog文件，并仿真测试其时序是否符号预期，然后在顶层MIPScpu_core.v中根据数据通路进行布线，顶层采用布线可更直观展示CPUcore各个部件引脚之间的关系及信号的传递。完成数据通路设计后续的扩展工作则先增加模块，再在Control_Unit.v中增加相应的控制线，以实现控制。
从CPU核心core出发，由于MIPS指令集都是等字长、等周期指令，为了将RISC流水线的控制规范化[16]，故选择将其设计成单周期处理机。在此先讨论单周期MIPS处理机的设计：
单周期CPU是指一条指令在一个时钟周期内执行完毕，然后开始执行下一条指令。时钟周期一般也称振荡周期。单周期处理器的设计，关键是确定数据通路以及确定哪些操作可以并行完成、哪些操作必须分时序完成。例如ALU的两个操作数送入和运算，可以用组合逻辑实现，在同一时刻完成[17]，但是对于 General_Register的读和写就需要区别对待。对于一般的算术逻辑指令，一般流程是“Read-Operation-WriteBack”，即“读-算-写回”的流水线执行流程。读和算可以安排在一个时钟边沿，但是读写如果共用一个数据端口，读和写都各自需要一个时钟周期，那就无法实现单周期的处理器。所以 General_Register采用“错位拍”方式，即读写时钟rclk、wclk分开，读操作为上跳边沿敏感；而写操作为下跳边沿敏感，恰好错开半个节拍，这一个方法也称“快慢拍”方法。当然，除了快慢拍之外，还有其他方式来解决多周期修改成单周期：如写操作采用时序逻辑，而读操作采用组合逻辑[18],即地址由效即可数据有效。
图1 MIPScpu节拍时序
如上为主时钟与辅时钟仿真时序：clk为读时钟，上跳延完成取指、译码工作(标注1)，执行阶段同步进行。当clk下跳延到达时，完成访存、写回等工作(标注2)。在下一个时钟上跳延到达前，检查是否有软硬件中断，并在这一时刻完成中断隐指令。为了代码的结构统一，在模块内统一采用上跳延敏感，而辅时钟与主时钟恰好错开半个周期，在FPGA设计中，采用延迟触发器完成时钟的统一精确控制。
从Program_Counter的角度出发，标准的MIPS架构要求以字节编址，而每条指令长为32bit，如果只有一个数据端口，则需四个时钟周期才能取出一条指令，无法实现单周期的处理器。故单周期MIPScpu采用32位编址，一次读出32bit，即一条指令。而此时相邻两条指令也不是MIPS要求的PC+4，而是PC+1。
从运算部件的角度看：乘除法指令也要安排在一个时钟周期内完成，那就必须采用并行乘法器、除法器的结构。
从数据通路角度看，由于读写要在同一个执行周期(即时钟周期)内完成，故cpu必须选择三总线(内总线)结构：如下图，单总线、双总线结构数据通路必须分时复用，故只能采用多周期实现。而三总线结构有两个源数据总线，和一个目标数据总线，两个操作数故可以在一个周期内执行结束；
将每条指令的位宽、时长统一，符合RISC指令集规范。
图2 运算器基本数据通路[18]
(二).MIPS处理器核心基础设计(零号机type0)
1.零号机MIPScpu_core架构设计
零号机属于实验性质的设计作品，其目的在于验证基本的数据通路框架和基础指令，为了体现层次递进、逐步扩展的硬件设计理念，同时为后续扩展和提升设计铺垫。零号机支持的18条基本指令主要为算术逻辑类，还包含两条分支指令beq和bne。
在明确了零号机支持指令集的基础上，将指令的数据通路归类：左表3中，Reg型算术逻辑运算指令数据通路完全一致，同理Imm型算术逻辑指令数据通路也完全一致：由这些指令的数据通路，可以绘制得出顶层文件示意：如下图3所示
表3 零号机支持指令
图3 零号机数据通路
2.零号机设计步骤
在绘制完成零号机顶层示意后，逐个落实该图中的核心部件：如ALU、General_Register、Program_Counter等部件，每完成一个部件，新建一个工程“test”，在其中仿真验证。确认无误后在在顶层布线，完成设计结构。为了后续扩展设计的方便，不将数据通路安排在模块内编写verilog代码，而是在顶层完成布线，这样设计的优势在于顶层调用关系更直观；同时封装完成的代码结构后续不会大幅改动。
零号机的数据通路非常简单，其完成了初步对MIPS体系结构的验证。但是零号机的功能并不完善，没有达到课题的基本要求，故扩展设计初号机是非常必要的。初号机支持的指令更多，故初号机的数据通路将增多。而初号机的设计流程与零号机类似，但是由于其支持指令数目更多，设计工作量也会更大。
但是如前分析：初号机的各部分代码结构不会大幅改动，故每个子模块详细分析将在初号机的设计部分详细阐述。
(三).MIPS处理器核心优化设计(初号机type1)
1.初号机MIPScpu_core架构设计
图4 初号机数据通路
在零号机的基础上，初号机扩展至54条汇编指令，其主处理器数据通路如上图所示：（图中未标出并行乘除法部件）
2.初号机设计步骤
顺承零号机的设计思路，在绘制完成初号机顶层示意后，修改该图中的ALU、部件，以支持新指令，每完成一个部件，同样在“test”工程下仿真验证。确认无误后在在顶层布线，完成设计结构。
3.子模块结构与数据通路分析
(1).ALU模块
ALU（算术逻辑单元）模块是处理器运算的核心部件，其衡量指标是功能强大，故设计32位ALU，设置五位工作方式选择码，共可以实现19种算术逻辑运算模式：
其要求在时钟的控制下完成各类运算，故采用时序结构，当clk上跳延到达时，根据模式码选择工作方式，同时输出结果。其verilog伪代码如下：
| moduleALU(clk,input_data1[31..0],input_data2[31..0],output_data[31..0],mod_code[4..0]) always @(posedge clk) begin case(mod_code) If(mod_code==00000) add begin; If(mod_code==00001) sub begin; If(mod_code==00010) and begin; else ... endcase end endmodule |
其封装逻辑接口如下图：inputdata1、inputdata2为两个32位数据输入，z_singal为运算判断输出标志，该信号将送入CU，作为条件转移指令的判断依据。Parameter为宏定义的常量编码
图5 初号机ALU模块封装示意
仿真结果如下图所示：当第一个上跳时钟边沿尚未到达时，输出高阻态。当1.时刻到达后，模式码为5’b00001,运算模式为求和运算，根据输入随机数：C47F_2B02H + 1E2A_97A7H = E2A9_C2A9H,与预期相符，后2处为减法，同样符合预期，不再赘述。
图6 初号机ALU仿真时序
从数据通路的角度出发，ALU的数据源只有四种来源：其中，一般的Reg型指令两个操作数都从寄存器中来，一般的Imm型指令一个操作数从Reg中来，而一个操作数从指令的立即数中来。对于特殊的移位指令sll、srl，其第一操作数来自指令的shamt位。故数据通路如下图，将两个busmux的选择端口命名为Src1、Src2，由CU发出控制信号。
图7 初号机ALU模块数据通路
(2).General_Register模块(通用寄存器)
通用寄存器是CPU中的核心部件之一，其核心功能为完成读写工作即可。按前述系统结构的思路进行设计，时钟分为读时钟和写时钟，且读写时钟错开半拍，为了代码复用性强，统一采用上跳延敏感编写，伪代码如下所示：
| moduleGeneral_Register(read_addr1, read_addr2, write_addr, write_data, output_data1, output_data2, rclk, reg_write,wclk); always @(posedge wclk) //写模块由写时钟控制 begin if(reg_write) begin case(write_addr) If（read_addr1==00000）: reg[] = write_data; else... endcase end end always @(posedge rclk) //读模块由写时钟控制，且两个读端口互不影响 begin case(read_addr1) If（read_addr1==00000） : output_data1 = reg[]; else... endcase case(read_addr2) If（read_addr2==00000） : output_data1 = reg[]; else... endcase end endmodule |
其封装逻辑接口如下图：output_data1与output_data2为两个数据读出端口，以支持三总线结构。其中clk为读时钟，clk2为写时钟。为了控制方便，将clk取反后接入clk2，其封装如下：
图8 初号机通用寄存器模块封装示意
仿真时序如下图所示：clkout为clk取反后的结果，分析可知：clk的下跳延恰好为clk2上跳延，实现了错开半拍的逻辑；且输入随机地址，数据读出成功。当reg_write为高电平时，数据成功写入，此后读出数据含非零数据，为写周期时写入，实现了读写互不干扰。
图9 初号机通用寄存器仿真时序
从数据通路的角度出发，General_Register的数据源有五种来源：HI[31..0]、LO[31..0]为特殊寄存器HI、LO，其用于存储乘除法输出结果。而PC+2是来自跳转指令的返回地址，jal、jalr指令在跳转到指定地址实现子程序调用的同时，需要将返回地址（当前指令地址+2）保存到 ra（$31）寄存器中。因为MIPS标准下，紧随跳转指令之后有一条立即执行的延迟槽指令（例如nop占位指令），加2刚好是延迟槽后面的那条有效指令。而送往写地址端口的数据源有三种来源：对Reg型指令，写入地址应该为rd，而对Imm型指令，写入地址应该为rt。特别的，对JAL、JALR指令，还要将PC+2送入$31号寄存器，故还有一个数据源为固定的5’b11111。
如下图，将通向数据端口的各个BUSMUX的控制信号分别命名为memtoReg、pctoReg、hilotoReg、HI_LO,由CU负责发出控制信号。而通向写地址端口的两个BUSMUX分别命名为RegDst、JalRst。
图10 初号机通用寄存器模块数据通路
(3).program_counter模块(程序计数器)及其转移逻辑[不包含中断及返回]
程序计数器是处理器取指令的地址。Program_Count其本身并不复杂，仅在时钟上跳延完成PC的写入即可。程序计数器的输出是作为Imem的地址使用。Program counter的地址分为两种类型：顺序下地址与跳转地址：当指令顺序执行时：PC以时钟自增：而PC+1还是+x，取决于Imem的编址方式：常见的编址方式有按字编址和按字节编址:通常情况下，存储器系统是按照字节（Byte）编址，但CPU访问时，通常按照字（Word）读取，因此地址就有字节地址和字地址的区别。以32位处理器为例，如下图所示；而由于cache采用字编址方式：即一个地址下存储32bit，故顺序指令方式下PC+1即可。但是在MIPS体系结构下，其转移相对复杂：从数据通路的角度出发，其数据源有四类：
当指令为非跳转、分支指令时，PC=PC+1;而当指令为分支指令时，PC=PC+1+Offset。同理，为Jump指令时，将address左移两位与PC[31..28]拼接后送入PC。
其中，在MIPS官方文档上，可以总结发现：由于PC按字节编址，相邻两个指令PC地址相差4，为了字节对齐，J指令的address要左移两位（*4）在MIPScpu_core中，由于PC按32位编址，故不需要进行字节对齐，直接高位补两个0即可与PC+1[31..28]拼接。
图11 初号机PC模块数据来源
故数据通路如左图所示：将三个BUSMUX的控制信号线分别命名为Branch_out、Jump、Pcsrc由CU发出控制信号进行控制。在二号机的扩展中，还要增加中断隐指令以及中断返回指令ERET。其数据通路在后续单独分析。
图12 初号机PC模块数据通路
(4).Sig_Exit符号扩展模块
在MIPS指令集的Imm指令中，立即数占指令的15-0共16位，而MIPS32体系结构下，所有数据都是32bit。查阅官方文档得知16位立即数扩展到32位数据的扩展方式有两类：一类称为“无符号扩展”，在数据高位补16个‘0’即可。另一类称为“符号扩展”：符号扩展就是高位填充的值取决于这个数扩展前的最高位。扩展前的数高位为1,那么扩展出来的高位就都是1，扩展前的数高位为0，那么扩展出来的高位就都是0。
而无符号扩展就是无论扩展前的数是多少，扩展出来的高位都是0。由于这一逻辑是分简洁，故直接采用布线方式实现：如下左为无符号扩展内部逻辑，图右为符号扩展内部逻辑。将两个扩展用的bdf文件分别命名为“Sig_Exit_signed.bdf”、“Sig_Exit_unsigned.bdf”并封装。然后在输出端口补上一个位宽32bit的BUSMUX(Intel IP生成)，当BUSMUX选择线置‘1’时，选择有符号输出，为‘0’则是无符号输出，将控制端口命名为ExtSel，由CU发出控制命令。
图13 初号机立即数符号扩展模块封装示意与内部结构
其仿真结果如下所示：当ExtSel为‘0’时，表示无符号扩展，高位填0000H即可，反之，当ExtSel为‘1’时，表示符号扩展，如果输入数据为负数，高位填FFFFH；如果输入数据为正数，高位填0000H。
图14 初号机立即数扩展模块仿真时序
(5)MUL _DIV&HI_LO模块（并行乘除法器）
在MIPS体系结构中，乘法运算指令分为两类：MUL指令为等位宽乘法运算，一般无符号二进制数32bit*32bit->64bit，输出截取低32位，在ALU中可以实现。而MULT指令要求按64位运算结果，其中低32位存入LO，高32位存入HI。DIV除法指令类似，商存入LO，余数存入HI。为了ALU模块代码和接口的工整性，这两个特殊的指令不在ALU中实现，独立设计两个并行乘法、除法阵列。
LO和HI为两个32位的特殊寄存器，其数据通路非常简单：其数据来源只可能是乘除法运算阵列输出、或者来自通用寄存器rs，而LO、HI去向只可能是通用寄存器。由于quartus 集成的乘除法器IP时延较高，至少为5个时钟周期。故采用verilog实现并行乘法器和并行除法器。并行乘法器原理如下：将n*n个全加器先行求和，将结果按位排列即为结果。故verilog伪代码如下：
图15 并行乘法器逻辑结构[25]
| module mult(input clk,input mult_rst,input [31:0] a,input [31:0] b,output [63:0] z); always @(posedge clk)begin for(i=0;i<32;i++) for(j=0;j<32;j=j+1) and[i][j]=a[i]&b[j]; //一位全加器阵列
end
assign z=(~mult_rst)?64'b0: //按树型阵列拼接结果并输出
endmodule |
同理，并行除法器逻辑结构与并行乘法器原理类似，但是其输出由商和余数两部分构成。
Mult乘法模块仿真时序如下所示：
图16 初号机并行乘法器模块仿真时序
当mult_rst为低电平时，除法器不使能，输出‘0000_0000_0000_0000H’当mult_rst为高电平时，乘法法开始运算，以标号1为例：无符号乘法4EF5_96B7H * 9E7F_212FH = E1ED_325F_DE4D_4299H,结果符合预期，且在一个时钟脉冲上完成运算，满足单周期处理器的要求。
Div除法模块仿真时序如下所示：
图17 初号机并行除法器模块仿真时序
当div_rst为低电平时，除法器不使能，输出‘0000_0000H’当div_rst为高电平时，除法开始运算，以标号1为例：无符号除法99DF_B91EH/5ECD_29B6H=0000_0001H,余数为3B128F68H,结果符合预期，且在一个时钟脉冲上完成运算，满足单周期处理器的要求。
(6).Control_Unit模块(控制单元)
控制单元是整个处理器的核心单元。控制信号由其按时序发出。由时序逻辑电路产生控制命令的控制单元称为“硬布线控制器”，其逻辑框架如下图所示：指令经过译码，再加上时序节拍的控制和ALU的运算输出反馈，构成控制网络的输入。在这些输入的作用下，控制单元发出一系列的微命令以操作各个部件。这是是早期设计计算机的一种方法[19]；是计算机中最复杂的逻辑部件,且一旦构成，无法增加新的控制功能。
但是在FPGA编程设计过程中，其核心电路由verilog生成，设计的复杂度大大降低，可扩展性也大大增强。相较于微程序控制器，其纯粹由电路产生控制命令，故时延更低，适合单周期处理器使用。对MIPS指令归类可知：从数据通路的角度看：算术逻辑运算类指令数据通路完全一致，不同的仅仅只是ALU的工作码不同而已。从这种角度出发，将Control_Unit划分为Control_Mod和ALUdecoder两个模块。其中，Control_Mod部分控制数据通路的开合，而ALUdecoder控制ALU工作信号。Control_Mod伪代码如下所示：
图18 硬布线控制器逻辑结构[20]
| module Control_Mod(input ALU_zero, input [5:0] op,input [5:0] func,input rst, input clk，input [4:0]branch, output singals; //输入op码、func码、时钟、ALU输出信号 ); always @(posedge clk) begin if(op==6’b000001) begin: If(func==5’b00000) begin: ALUSrc1 =0; ALUSrc2 =0; //产生一系列微命令，用于控制数据通路 Jump =1; Branch =0; Pcsrc =1; ... If(func==5’b00001) begin: ... If(func==5’b00010) begin: ... If(func==5’b00011) begin: ... If(op==6’b000010) begin: If(func==5’b00001) begin: ... If(func==5’b00010) begin: ... If(func==5’b00011) begin: ... ... endmodule |
同理，ALUdecoder伪代码类似，如下：
| module ALUdecoder(input clk,input [5:0] op,input [5:0] func,input [4:0] branch, output reg [4:0] alu_ctrl_sinal //输入op码、func码、时钟、ALU输出信号 ); always @(posedge clk) begin if(op==6’b000001) begin: If(func==5’b00000) begin:alu_ctrl_sinal = 5'b00001;//产生一系列微命令，用于控制 If(func==5’b00001) begin: alu_ctrl_sinal = 5'b00010; ALU工作方式 ... endmodule |
将ALUdecoder与Control_Mod分开设计，可以通过排列组合实现同类指令的控制信号，防止整体代码量过大。封装结构如下图示:
图19 初号机CU模块封装示意与内部结构
同时，为了防止ALU的工作方式超出32种编码范围(5位工作方式码)beq、bne两个条件跳转指令的执行决策，利用的是同一个ALU工作方式（后续很多成对的条件转移指令也采用了这一类设计思路）宏定义为：ALU_comparer，其工作方式是将源操作数1与源操作数2比较大小，相等则在标志位输出‘1’，否则输出‘0’。Control_Mod里输出的Branch是一个跳转锁：
图20 初号机CU模块内跳转控制信号
非转移指令置‘0’。Branch还要结合ALU的判断输出，故在Control_Mod外添加一层组合电路，以实现对转移逻辑的控制。将输出命名为“branch_out”。其基本数字逻辑结构如上图20：Branch为分支转移锁(lock)，beq/bne为转移选择线，非转移指令、beq指令该线置‘0’，bne指令该线置‘1’。因为非转移指令Branch为‘0’，两个与门均被锁住，输出全为‘0’,无论MUX选择哪个输出，都不会发生跳转。故上图20所示结构可以实现转移控制。
图21 初号机CU模块仿真时序
将上述结构封装为“Control_Unit”后，其仿真时序如上图：在时钟和指令的驱动下，CU发出了一系列微命令。CU是处理器的核心，将其与各个部件的控制信号线相接，可得最终顶层结构。MIPScpu_core顶层结构如下图：各个数据通路由BUSMUX进行选择，BUSMUX为Intel IP，直接调用库函数可得。根据控制微命令，搭建数据通路，初号机顶层文件如下所示：
下图中，绿色数据通路表示PC的来源通路，而红色数据通路表示数据流通路，蓝色数据通路表示指令流通路。为了压缩总管脚数量，初号机有一个面向外设的32位双向数据线data[31..0],32位输出地址线addr[31..0]。以及面向指令存储器的32位指令地址线(PC[31..0])和32位指令输入线Ins[31..0]。DEN为数据输出/输入三态使能。ALE为地址输出许可线；mem_RD、mem_WR分别为存储器读、写选择线。这些接口在命名上借鉴了8086处理器的命名习惯。
图22 初号机顶层示意
初号机完成了表2中总结的52条基本MIPS汇编指令（由于b指令和beq指令编码相同，bal指令和bgezal指令编码相同，故初号机实现了54条汇编指令）。
图23 初号机顶层模块仿真时序
MIPScpu_core_type1仿真结果如上图23所示：在指令正常输入的情况下，初号机完成工作。lw与sw指令正常发出mem_RD、mem_WR信号，在MIPSsoc中，MIPScpu的接口将与总线驱动器进行交互。在顶层结构下，MIPScpu_core初号机文件调用系统如左图所示：这样的布局一方面是为了保证数据通路的清晰明了，另一方面使系统层次鲜明、模块封装复用性强。
初号机可以胜任大多数MIPS基本指令，但是其缺乏对操作系统的硬件化支撑部件：如中断相关硬件、MMU、TLB、由于缺乏中断机构，指令错误只会延迟一个周期，产生一个周期高阻态，并不会引发一次异常过程。
二号机的扩展设计是本课题的提升设计部分，设计二号机旨在补充系统支撑模块，以实现对操作系统的支撑：操作系统是和硬件直接交互的底层软件[21]，支持操作系统是一个完整体系结构所不可缺少的。
图24 初号机文件调用系统示意
(四).系统控制模块设计(二号机type2)
1.ll与sc原子指令原理与设计
ll与sc原子指令是MIPS体系结构下操作系统硬件化的核心之一，MIPS体系结构下依赖这两条指令实现信号量相关函数。在没有这两条指令的系统中，信号量函数用纯软件实现，总会出现难以避免的BUG[22]。
在cpu里面完成原子操作有很多办法。最最常见的方法，就是关中断、开中断。这个方法可以实现，且非常简单，但是它不够好。关闭了中断会影响系统的灵活性。在MIPS体系结构下，提供了一对用于原子操作的指令：ll与sc：
| CLI；//关中断 //body STI；//开中断 |
图25 8086-8088系统下原子函数硬件实现方法[23]
在多线程系统中，需要RMW（Read-Modify-Write）操作序列保证对某个资源的独占性，RMW操作序列的含义是，读取内存某个地址的数据，读取的数据经过修改，然后再保存回内存原地址，这个过程不能有任何打扰，因此需要建立一个临界区域（Critical Region），临界区域中完成的操作通常称为原子操作，原子操作不被打扰。操作系统建立临界区域的方式通常是信号量机制，其软件逻辑如下：
| wait（semaphore）; 原子操作; //body signal（semaphore）; | atomic_signal: ll $31,0 addu $31,1 sc $31,0 beq $31,0,atomic_signal nop //延迟槽 eret //返回主函数 |
图26 MIPS系统下原子函数硬件实现方法[24]
semaphore是一个信号量，为0表示信号量使用中，为1表示信号量空闲。进行原子操作前，使用wait函数查询semaphore的值，如果为0，则等待，否则，将其置为0，开始执行原子操作，操作结束后，signal函数将semaphore置为1，这样其它线程就可以执行原子操作了。除了上述临界区，wait函数的执行本身也是一个原子操作[23]，是一种“先检测后设置”操作（test-and-set operation），这种操作不允许被外设中断，也不允许被其它线程打断。
很多指令集都有专门的指令用来实现“先检测后设置”操作，但是MIPS32架构采用特殊的方式实现信号量机制，对于原子操作，MIPS32架构并不保证它一定是原子性的，但确保原子性的情况下原子操作才能成功发生。MIPS32架构采用链接加载指令ll、条件存储指令sc来实现这种信号量机制。
ll指令同一般的加载指令一样，从内存中加载一个字，同时，ll指令还会将处理器内部的一个链接状态触发器LLbit置为1，表明发生了一个链接加载操作，并将链接加载的地址保存到一个特殊寄存器LLAddr中（这个寄存器在多处理器中有作用，但是MIPScpu_core是单处理器系统，所以未实现LLAddr寄存器）。ll指令执行完毕后，会安排原子操作的核心动作（body），然后执行sc指令。但是，在单cpu系统中，如果出现了异常、中断，处理器会设置链接状态位LLbit为0。
执行sc指令时，会判断LLbit是否为1，如果没有受到任何干扰，LLbit保持为1，那么操作是原子的，sc指令会对ll指令加载数据的地址进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为1，表示成功，反之不进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为0，表示失败。即ll、sc指令不保证ll与sc之间不会发生中断，但是保证如果原子函数成功运行，其一定是原子的。原子指令过程最为精妙的地方在于两点：
1）ll和sc一定要配对使用，单独使用是不成立的；
2）影子寄存器(shadow-trigger)对用户来说是不可见的，并且sc中写入数据的那个寄存器，同时担当了返回值的作用。
ll与sc指令格式如下所示：
表4 LL与SC指令格式
其功能描述为:
ll：rt ← memory[base+offset],LLbit ← 1
sc: if LLbit =1 memory[base+offset] ← rt, rt ← 1 else rt ← 0
由于影子触发器LLbit（shadow-trigger）对软件开发人员不可见，故将其集成在CU模块内，由CU对其进行控制：但是要实现上述功能，LLbit不能仅仅只是一个d触发器(DFF)其应该为含异步功能端的触发器：异步端命名为“flush”，当中断或异常发生时，将该触发器直接置‘0’。
之所以要将LLbit触发器安排在CU模块内，而不是后续设计的CP0协处理器内，是为了最大程度上提升中断隐指令的并行度，如果将所有部件安排在协处理器内，会出现资源冲突问题。
在明确了LL、SC指令的编码、功能后，首先要编写LLbit触发器的verilog代码，由于其为1bit触发器，结构非常简单，在此不再赘述。完成了LLbit的编写和封装、测试后，在CU模块下扩展相应LL与SC部分的代码，在接口部分增加对LLbit的控制信号线，最后完成搭建。
a.CU模块修改：
图27 二号机CU模块结构修改
如上图27，为LLbit集成进入CU的封装结构：
其同步端由Control_Mod全权控制，任何一般指令都没有权限对LLbit进行操作，故其控制线上输出总保持上一次LL/SC指令的操作信号。其输出又作为Control_Mod的输入信号，以作为SC指令执行与否的决策依据。
flush为LLbit异步功能端，由外界中断模块输入，若MIPScpu响应中断，flush置‘1’。
b.数据通路修改：
在General_Register的写入数据源中，多了一个SC指令的数据返回值：如上图5 原子函数atomic_signal中，SC指令后紧跟一条转移指令beq $31,0,atomic_signal。即当返回值为0000_0000H时，SC指令执行失败，跳转至标号atomic_signal处重新执行。SC指令的返回值只有两种可能性：0000_0000H、FFFF_FFFFH故采用下图所示数据通路：在General_Register外补上两个BUSMUX，控制信号分别为SCfail、SCtoReg，SCfail表示SC指令执行是否成功，而SCtoReg表示是否打开SC指令数据通路。在CU中补上代码：当SC指令译码后，SCtoReg置‘0’，其余时候置‘1’。SCfail为‘0’表示成功，‘1’表示失败。
至此，LL-SC指令完成设计，接下来是协处理器和中断模块的设计。
图28 二号机数据通路修改
2.CP0协处理器模块设计
(1).CP0寄存器协议
协处理器(coprocessor)通常表示处理器的一个可选部件，负者处理指令集的某个扩展，具有与处理器核独立的寄存器。MIPS32官方文档的体系结构，定义了最多4个协处理器，分别是CP0~CP3，如下表所示：
| 协处理器 | 作用 |
| CP0 | 系统控制与中断支持 |
| CP1 | FPU（浮点数处理单元） |
| CP2 | 留空 |
| CP3 | FPU（浮点数处理单元） |
表5 MIPS体系结构协处理器功能[25]
CP0负责的主要工作：
- Cache控制：集成缓存控制器，来控制、读、写缓存
- 异常、中断控制：异常发生时的检测和处理都由CP0中的一些控制寄存器来控制
- 存储管理单元控制：对系统的存储区域进行合理的控制、管理和分配，主要是对MMU,TLB的一些配置、管理、访问
- 其他：当要把额外功能集成在CPU中，但又不方便当作外设访问时，常常在CP0中增加一些模块来实现这些功能。（例如：时钟、时间计数器、奇偶校验错误检测等）
(2).CP0_Reg模块
MIPSCP0协处理器中与通用寄存器类似，也同样定义了32个寄存器，从表中可以发现很多寄存器都是与Cache、MMU、TLB的调试有关。其中与中断相关的寄存器使用定义如下：
图29 cp0寄存器定义[26]
Count寄存器地址5’b01001,是一个不断计数的32位可读可写寄存器，计数频率一般与CPU频率相同。计数达32位无符号上限时，从0重新开始。
Compare寄存器地址5’b01011,是一个32位可读可写寄存器，与Count一起完成定时器中断功能。当“Coumt == Compare”，会产生一次实时钟中断。这个中断会一直保持。直到有数据被写入Compare寄存器。
Status寄存器地址5’b01100,是一个32位可读可写寄存器，用于控制处理器的操作模式、中断使能以及诊断状态。
Cause 寄存器地址5’b01101，是一个用于记录最近一次异常发生原因的寄存器，也用于控制软件中断请求。Cause寄存器的各字段如部分可读可写，部分是只读的。
EPC寄存器地址5’b01110，是一个异常程序计数器，存储异常返回地址。
Status寄存器和Cause寄存器是和中断异常相关的寄存器：
Status寄存器的CU3-CU0表示协处理器是否可用，分别控制协处理器CP3,CP2,CP1,CP0。为0时，表示相应的协处理器不可用，为1时，表示相应的协处理器可用。只有协处理器CP0可用时，设置本字段为4'b0001
SR表示是否软重启，为1表示重启异常是有软重启引起的，NMI表示 是否不可屏蔽中断，为1表示重启异 常是由不可屏蔽中断引起的。
图30 Status寄存器用途[27]
图31 Cause寄存器用途[28]
（上图中除灰色部分外，其余只读，‘R’表示留空）
IM7-IM0表示是否屏蔽相应中断，0表示屏蔽，1表示不屏蔽，MIPS处理器有8个中断源，对应IM字段的8位，其中6个中断源是处理器外部硬件中断，另外2个是软件中断。
EXL表示手处于异常级，当异常发生时，会设置本字段为1，表示处理器处于异常级，此时，处理器会进入内核模式下工作，并且禁止中断。
IE表示是否使能中断，这是全局中断使能标志位，为1表示中断使能，为0表示中断禁止。
Cause寄存器是原因寄存器，寄存最近一次发生异常或中断的原因，以便操作系统或硬件指令查询。其中Cause[31] BD位表示指令是否在延迟槽内，当发生异常时，指令恰好位于延迟槽内，则该标志位置‘1’。
而IP[7..0]为中断挂起字段，记录8个中断申请是否发生。ExcCode是五位编码，标志发生异常的类型。
实现中断管理是Cp0协处理器的重要工作，由于MIPScpu_core暂时尚未实现Cache、MMU、TLB相关部件，所以与MMU、TLB相关寄存器暂未实现。在CP0_Reg模块内，只实现了5个寄存器，其功能定义如下表6所示：
表6 ExcCode编码含义[29]
其中，由于cp0中各个寄存器有很多重要的标志位须作为决策依据，不可以有时延，故写入采用时序逻辑实现，而读出采用组合逻辑实现；而中断是否响应，由Status寄存器和Cause寄存器共同决定的，如果Status寄存器的IM字段与Cause寄存器的IP字段的相应位都为1，而且Status寄存器的IE字段也为1时，处理器才相应中断。
| 实现寄存器地址 | 寄存器助记符 | 功能描述 |
| 9 | Count | 处理器计数周期 |
| 11 | Compare | 定时中断控制 |
| 12 | Status | 处理器状态和控制寄存器 |
| 13 | Cause | 保存上一次异常原因 |
| 14 | EPC | 保存上一次异常前的程序计数器 |
表7 CP0_Reg内包含寄存器及其功能[30]
同时，协处理器的结构与中断流程密切相关。参考官方文档，可知:MIPS32体系结构中，打断程序的正常的执行流程，如中断、陷阱、系统调等情况，统称为“异常”。和8086系统[27]处理方式不同，中断和异常采用同样处理机制：如下图8所示：为MIPS体系结构下基本的中断时序流程。但是观察可以发现：该流程中 很多步骤互相没有依赖关系，完全可以并行，由不同部件完成。
中断类型码的来源，MIPScpu_core采用两类来源：硬件直接产生、由外部PIC中断控制器送ExcCode。
| 异常类型 | 描述 | 中断向量 |
| reset | 硬件复位 | x |
| Interrupt | 中断 | 0x20 |
| Sys | Syscall指令 | 0x40 |
| RI | 指令无效 | 0x60 |
| Ov | 算术运算溢出 | 0x80 |
| Trap | 自陷指令 | 0xA0 |
 | ||
表7 MIPScpu_core支持异常类型及其中断向量
图32 MIPScpu_core中断流程[31]
因为MIPScpu_core是单周期处理器，所以要提高中断隐指令的并行度，减少时间开销：半个时钟周期内必须完成中断隐指令，在下个时钟上跳延到达之前，必须完成送PC的工作，不可以有一点拖沓：故拆解步骤使其并行化，是一个关键步骤。
将图32的串行中断流程按操作相关部件进行拆解，得到如下图9所示的并行化流程：流程中与cp0寄存器相关的操作与CU、PC相关的操作无资源冲突，在EXL==0的条件下，可以并行完成。而指令是否在延迟槽内，也可以通过verilog if语句来实现，保证硬件时效。MIPScpu_core的中断部件如下：
coprocessor0：其中核心部件为cp0_reg。中断隐指令与cp0寄存器相关的操作完全由cp0_reg实现，其只需要接收ExcCode编码和是否处于延迟槽的判断信号‘delayslot’即可完成EXL置‘1’、保存返回地址、写Cause[BD]操作。其还有一个附属模块cp0_delay，用于判断异常时刻指令是否处于延迟槽内。
Interrupt_unit:其中核心部件为Interruptdecoder，中断隐指令与CU、PC相关的操作完全由Interruptdecoder实现，其接收中断申请、自陷指令以及检测cp0_reg相关输出，判断是否响应异常，送异常类型码ExcCode、送中断向量进入PC、将LLbit置‘0’。
由硬件直接产生ExcCode的异常包含两类：syscall指令，在操作系统中通常使用该指令进入系统内核态、Trap指令，MIPS体系结构下的自陷指令有条件自陷和无条件自陷。这些指令在正常执行阶段无操作(条件自陷会进行运算)而在中断周期内才可能触发异常。
而中断向量的产生完全由硬件产生。单周期处理器没有访存的时间，故不可以仿照8086-8088[32]系统一样，访问内存内的数据结构-中断向量表，再取出中断向量。MIPScpu_core的中断向量在硬件设计时已经确定，由Interruptdecoder硬件模块直接产生，中断向量安排如左表7所示：在指令寄存器的低地址区间安排一些处理例程，发生异常时，由中断隐指令将这些地址直接置入PC内。
完整cp0-中断模块文件结构如下图10所示：(蓝色为cp0寄存器相关核心部件，绿色为CU、PC相关核心部件，其余为外围电路)
图33 中断流程并行拆解
指令实现：Interruptdecoder模块功能为异常解析译码：其可以完成以下指令：在指令译码阶段，由CU发出控制命令，由ALU运算是否满足条件，在中断周期到达时，结合ALU运算输出和EXL位，判断是否触发异常过程：对syscall指令，只需检测EXL位是否为‘0’即可。而eret指令为中断子程序返回指令，将cp0_reg寄存器清零、并且将EPC寄存器送回PC即可。为了统一操作流程，不产生新的数据通路，eret指令清理cp0寄存器的操作还是由cpo_reg完成：上表6中，部分编码留空，故定义5'b01110为eret指令异常码，将该码发送给cp0_reg后，由其清理EXL标志位。送回PC的操作由Interruptdecoder模块完成。
图34 CP0文件结构
封装结构如下图所示：中断申请有效位外为一系列硬件锁：当且仅当EXL==0&&IE==1&&中断屏蔽位为1时，中断申请才有效。在MIPS体系结构下，中断无优先级，由或门or8相连。优先级完全由软件实现。
将CP0_INT模块集成进入MIPScpu_core中后，形成二号机，其顶层结构如下图37所示：相较于初号机，二号机增加了ll、sc指令。还增加了6条自陷指令，以及一条无条件异常指令syscall、中断返回指令eret。共计支持64条汇编指令。
此外，由于实时钟中断是一个硬件中断，故在MIPScpu_core的设计中，将实时钟中断接入INT0上。实际面对外设的硬件中断只有四个中断管脚，如果后续设计要扩展外设，要通过8259PIC中断控制器实现扩展。在最开始的设计中就考虑到扩展问题，所以ExcCode编码可以通过外部送入。与初号机数据通路类似，下图37中，绿色数据通路表示PC的来源通路，而红色数据通路表示数据流通路，蓝色数据通路表示指令流通路。
图35 中断控制模块封装结构
二号机虽然对操作系统有了硬件支持，但是相较于现代处理器，其缺乏MMU、TLB等加速处理流程的模块。在后续设计中会考虑扩展这些部分。在扩展了cp0模块后，顶层调用文件结构如下图所示：除了增加cp0协处理器模块外，还将LO_HI寄存器封装了一层结构，使顶层文件结构更加鲜明；MIPS体系结构是开源的体系结构，为了使设计符合开源理念[33]，笔者将这一课题上传至CSDN、Gitee，将其打造为“OPENMips”项目。
图36 二号机文件调用系统示意
图37 二号机顶层结构
至此，二号机也完成设计。二号机源代码尚未发布，初号机代码已上传至Gitee。
初号机源工程体量过大，已上传至gitee，详细请访问：MIPScpu_core_type1: MIPScpu_core_type1是支持56条基本汇编指令的MIPS处理器，基于Quartus (Quartus Prime 17.1) Standard Edition版本开发设计。c
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