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MIPS处理器初探 3 第一章 绪 论 3 1.1 课题的目的和意义 3 1.1.1 MIPS概述 3 1.1.2 课题的目的和意义 3 1.2 国内外研究现状 4 1.2.1 国外MIPS处理器的发展 4 1.2.2 国内的类MIPS处理器 5 1.3 设计流程 5 1.4 开发环境 6 第二章 基于MIPS 最小CPU 的设计 6 2.1 指令集 6 2.1.1 指令集的概念 6 2.1.2 MIPS 的指令集 7 2.1.3 实现的指令集 7 2.1.4 建立在子集上的一个实例 7 2.2 指令格式 7 2.2.1 mips的指令格式 7 2.2.2 子集指令的格式 （R，I，J） 8 2.3 ALU实现 9 2.3.1 ALU 功能分析 9 2.3.2构造算术逻辑单元 10 与或逻辑 10 全加器 11 减法逻辑 12 Slt指令（小于则置1） 13 2.3.3 整合各个单元 14 整体符号 15 一个4位的逻辑图 15 32位alu VHDL 实现 16 ALU真值表 17 2.4寄存器堆的实现 18 2.4.1 mips寄存器简介 18 2.4.2 寄存器堆设计 18 2.4.3寄存器堆实现 19 2.5 数据通路详述 21 2.5.1 程序计数器 21 2.5.2 指令寄存器和数据寄存器 21 2.5.3 R型数据通路 22 2.5.4 I型数据通路 23 2.5.5 J型数据通路 24 2.6异常 25 2.6.1异常的类型 25 2.6.2 异常的处理 26 2.7 总设计图 26 2.8控制器 27 2.8.1 控制器的选择 27 2.8.2 有限状态机 27 2.8.3 控制器的编写 31 第三章 总结 36 3.1 收获 36 3.2 今后的工作 36 参考文献 36 MIPS处理器初探 第一章 绪 论 1.1 课题的目的和意义 1.1.1 MIPS概述 MIPS MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS(Microprocessor without interlocked piped stages)是无内部互锁流水级的微处理器的英文缩写。其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。 MIPS技术公司 MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司，它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。 1.1.2 课题的目的和意义 为什么选择这个题目：我在学习系统结构时，读到了业界里程碑式的著作 COMPUTER ORGANIZATION DESIGN （计算机组成与设计 硬件/软件 接口）这是一本世界流行的教材，世界多所著名大学，如MIT，Stanford，UC Berkeley，清华大学，北京大学等均不约而同地使用本书展开教学。其作者Hennessy 是MIPS的创立者之一。他在自己的书中详细叙述了MIPS的基本组成，这对于了解这种体系结构，乃至于对整个计算机体系结构的学习是一个很好的帮助。 意义：本着I do I remember 的思想，我决定亲自实践做出一个简化版本的MIPS CPU，加深我对课程的理解，为今后的学习做好理论联系实际的铺垫，积累宝贵的经验。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外MIPS处理器的发展 在MIPS芯片的发展过程中，SGI公司在1992年收购了MIPS计算机公司，1998年，MIPS公司又脱离了SGI，成为MIPS技术公司。 MIPS CPU的里程碑 年份 型号—时钟频率(MHz) 指令结构 Cache（I+D） 1987 MIPS R2000-16 MIPS1 1990 MIPS R3000-33 1990 IDT R3051-20 1991 MIPS R4000-100 MIPS3 1993 IDT/QED R4600-100 1993 MIPS R4400-150 1995 NEC/MIPS Vr4300-133 1996 MIPS R10000-200 MIPS4 1996 SGI/QED R5000-200 其中NEC/MIPS Vr4300-133 是低功耗的嵌入式CPU，开始是为任天堂游戏机设计