基于32位MIPS指令集的ALU及CP0模块的设计

论文摘要

近年来,版权公开的MIPS体系结构的CPU越来越受欢迎。Cisco的路由器,IBM的网络彩色打印机,HP的4000、5000、8000、9000系列激光打印机及扫描仪,Sony的Playstation和Playstation 2游戏机等等,都是应用了实现不同MIPS指令集的微处理器的产品。MIPS CPU中的算术逻辑单元ALU集成了各种算术运算和逻辑运算部件的功能,包括加、减、乘、除、逻辑运算、移位运算等。协处理器CP0是MIPS指令集和特权资源结构之间的接口,并且提供了CPU状态和运行模式的完全控制。本文在分析MIPS32指令集的基础上,通过研究定点ALU的算法以及协处理器CP0的功能结构,最终用Verilog硬件描述语言成功设计实现了这两个模块的电路。除过功能仿真之外,还对设计进行了逻辑综合以及对综合后的网表进行了时序仿真。仿真结果表明,该设计完全符合预定的目标。到目前为止,该设计已经被应用于某公司SOC项目的CPU核并且通过了FPGA验证。由于项目的整体进度,我们打算在4月份进行流片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 自主研发基于MIPS的SOC的重要意义
• 1.2 MIPS芯片中ALU和CP0 的发展概况
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章MIPS简介
• 2.1 MIPS的CPU体系架构
• 2.2 MIPS的指令集
• 2.3 小结
• 第三章 ALU的算法与架构研究
• 3.1 计算指令实现的电路结构
• 3.1.1 ALU模块
• 3.1.2 模块接口
• 3.1.3 模块结构
• 3.2 比较指令
• 3.3 逻辑指令
• 3.3.1 指令描述
• 3.3.2 模块接口
• 3.3.3 模块结构
• 3.4 前导1/前导0 计算
• 3.5 乘法指令
• 3.5.1 指令描述
• 3.5.2 模块接口
• 3.5.3 模块结构
• 3.5.4 符号调整
• 3.6 除法指令
• 3.6.1 模块接口
• 3.6.2 模块结构
• 3.6.3 算法流程
• 3.6.4 除法器状态图
• 3.7 小结
• 第四章 ALU的仿真及验证
• 4.1 功能仿真
• 4.2 网表仿真
• 4.3 小结
• 第五章 CP0 架构及其寄存器的定义
• 5.1 CP0 架构
• 5.1.1 缩略语
• 5.1.2 CP0 顶层模块描述
• 5.1.3 CP0 内部模块简介
• 5.1.4 REG控制模块
• 5.1.4.1 REG控制模块与系统接口
• 5.1.4.2 REG控制模块与MMU接口
• 5.1.4.3 REG控制模块与CORE接口
• 5.1.4.4 REG控制模块与IRQ模块接口
• 5.1.4.5 REG控制模块与TLB控制模块接口
• 5.1.5 IRQ模块
• 5.1.5.1 IRQ控制模块与系统接口
• 5.1.5.2 IRQ控制模块与MMU接口
• 5.1.5.3 IRQ控制模块与CORE接口
• 5.1.5.4 IRQ控制模块与TLB控制模块接口
• 5.1.6 TLB控制模块
• 5.1.6.1 TLB控制模块与系统接口
• 5.1.6.2 TLB控制模块与MMU接口
• 5.1.6.3 TLB控制模块与CORE接口
• 5.2 CP0 的寄存器
• 5.3 小结
• 第六章 CP0 的仿真和验证
• 6.1 功能仿真
• 6.2 网表仿真
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果