CPU 实验报告
特点：
1. 哈佛存储器结构，大端格式；
2. 类 MIPS 精简指令集，支持子程序调用和软中断；
3. 实现了乘除法；
4. 五级流水线，工作频率可达 80MHz（每个时钟周期一条指令，不计流水线冲突）。
一、小组成员
于晃 无 64 负责部分数据通路以及调试
李龙毅 无 64 负责 ALU
闫轲 无 610 负责控制器、部分数据通路、汇编器以及调试
二、模块原理介绍
指令集介绍
这个指令集是由于晃和闫轲共同协定的，其中于晃提出了初始版本，闫轲根据实际情况
进行了改进。
指令集共包括 50 条指令，具体分配如下：
有符号四则运算
R 型指令 无符号四则运算
(ALU 运算) 逻辑运算
移位运算
Load/Store 指令
立即数装入高半字 LHI
I 型指令 比较指令 CMP
带立即数的 ALU 运算
各种分支指令 Bxx
J 型指令 子程序调用 CALL
软件中断 SYSINT
详细的表格控制码、控制信号分配可见压缩包中的 NewInstructions.xls。下面对各指令的设
计初衷进行介绍。
R 型指令
与老师给的 Z0 指令集不同，这个指令集将加减乘除四则运算都包括进去了，
会比只有加减的指令集更易用一些，算是部分实现了 FPU 的指令吧。不过缺点是
乘除法的延时会比加减法大一些。
无符号加减其实与有符号加减并无本质不同，X86 指令集没有无符号加减，
MIPS 指令集无符号加减与有符号的唯一区别是无符号加减不置 OV 标志寄存器。
这里参考 MIPS 指令集的做法，同时也照顾了指令集的“整齐性”。
逻辑运算中 NOT 指令其实可以用 XOR 指令来实现，这里单独用了一条指令
也是为了易用性和“整齐性”，但 NOT 指令只有两个操作数。
R 型指令的 Op 字段都为 0，具体功能由 Funct 字段指定。实现的功能为将
Rx 中内容和 Ry 中内容进行操作后存入 Rz。
Op
Rx
Ry
Rz
(useless)
Funct
6 位 5 位 5 位 5 位 5 位 6 位
I 型指令
根据老师要求，Load/Store 类指令按长度分为字节、（低）半字和字三种，
Load 类指令（内存寄存器）还分为有符号和无符号两种（Store 类指令不需区分），
因此共有 6 个 Load 指令，3 个 Store 指令。其格式为 L/S Rx, Offset, Ry，load 类指
令是将 Rx 中地址偏移 Offset 后指向的内存存入 Ry；store 类指令是将 Ry 存入 Rx
中地址偏移 Offset 后指向的内存。
LHI Ry, Imm16 指令实现了立即数装入高半字功能，与 ORI $0, Imm16,Ry 指
令接合即可实现装入 32 位立即数的功能。
CMP Rx, Ry 实现了比较两个寄存器值（本质为有符号减）并置标志寄存器的
功能，为下面的条件分支指令做准备。
带立即数的 ALU 运算与寄存器 ALU 运算的唯一区别是：前者不存在 NOT 指
令。
Op
Rx/0
Ry
Imm16/Offset/0
6 位 5 位 5 位 16 位
J 型指令
条件分支指令（包括相等跳转 BO，不等跳转 BNO，有符号大于跳转 BGT，
有符号小于等于跳转 BLET，BGTU，BLETU）本来计划的是设为 I 型指令，即对 Rx
和 Ry 进行比较后，根据标志寄存器 flag 条件跳转到 Addr，但这样一来一条指令要
用两次 ALU，一次用来比较，一次用来计算跳转地址，造成了延时；另外很多情
况下前面的 ALU 指令已经更改了 flag，不需要再进行比较了。因此将条件分支指令
设为 J 型指令，这样一来也扩大了跳转范围。老师给的提示中有符号跳转分为大
于跳转和小于跳转，细思之觉此分法不妥，因为这样大于等于跳转就无法表示
了。
子程序调用指令CALL与跳转指令很相似，都是跳转，但 CALL 需要保存当前
PC 值以便返回。这里参考 MIPS，在跳转的同时将 PC 存入寄存器$ra。为此 CPU 中
设置了专用通路。
与 CALL 类似，系统中断指令 SYSINT 也需要存 PC 并跳转，不同的是这里假
设在程序内存中有一个从 0 号内存开始的、每个表项为 4 个字节的中断向量表，因
此 SYSINT 的参数并不是地址偏移量，而是编号。实际上跳转到参数左移 2 位(乘 4)
的绝对地址。
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