自己动手写CPU (雷思磊 著) 完整版PDF[103MB]

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《自己动手写CPU》使用Verilog HDL 设计实现了一款兼容MIPS32指令集架构的处理器——OpenMIPS。OpenMIPS 处理器具有两个版本,分别是教学版和实践版。教学版的主要设计思想是尽量简单,处理器的运行情况比较理想化,与教科书相似,便于使用其进行教学、学术研究和讨论,也有助于学生理解课堂上讲授的知识。实践版的设计目标是能完成特定功能,发挥实际作用。

《自己动手写CPU》分为三篇。第一篇是理论篇,介绍了指令集架构、Verilog HDL的相关知识。第二篇是基础篇,采用增量模型,实现了教学版OpenMIPS处理器。首先实现了仅能执行一条指令的处理器,从这个最简单的情况出发,通过依次添加,实现逻辑操作指令、移位操作指令、空指令、移动操作指令、算术操作指令、转移指令、加载存储指令、协处理器访问指令、异常相关指令,最终实现了教学版OpenMIPS处理器。第三篇是进阶篇,通过为教学版OpenMIPS添加Wishbone总线接口,从而实现了实践版OpenMIPS处理器,并与SDRAM控制器、GPIO模块、Flash控制器、UART控制器、Wishbone总线互联矩阵等模块组成一个小型SOPC,然后下载到FPGA芯片以验证实现效果,最后为实践版OpenMIPS处理器移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II。

《自己动手写CPU》适合计算机专业的学生、FPGA开发人员、处理器设计者、嵌入式系统应用开发工程师、MIPS平台开发人员以及对处理器内部的实现感兴趣的读者阅读,也可以作为高等院校计算机原理、计算机体系结构等课程的实践参考书。

目录
第一篇 理论篇
第1章 处理器与MIPS 2
1.1 计算机的简单模型 2
1.1.1 计算机的简单组成模型 2
1.1.2 计算机的简单使用模型 3
1.2 架构与指令集 4
1.2.1 CISC与RISC 4
1.2.2 主要的几种ISA 5
1.3 MIPS指令集架构的演变 6
1.4 MIPS32指令集架构简介 9
1.4.1 数据类型 9
1.4.2 寄存器 9
1.4.3 字节次序 10
1.4.4 指令格式 11
1.4.5 指令集 11
1.4.6 寻址方式 13
1.4.7 协处理器CP0 13
1.4.8 异常 14
1.5 本书的目标与组织方式 14
第2章 可编程逻辑器件与Verilog HDL 16
2.1 可编程逻辑器件概述 16
2.2 基于PLD的数字系统设计流程 18
2.2.1 设计输入 19
2.2.2 综合 20
2.2.3 布局布线 20
2.2.4 下载 20
2.2.5 仿真 20
2.2.6 工具介绍 21
2.3 Verilog HDL简介 21
2.4 Verilog HDL中模块的结构 22
2.5 Verilog HDL基本要素 24
2.5.1 常量 24
2.5.2 变量声明与数据类型 24
2.5.3 向量 26
2.5.4 运算符 26
2.6 Verilog HDL行为语句 29
2.6.1 过程语句 29
2.6.2 赋值语句 31
2.6.3 条件语句 32
2.6.4 循环语句 34
2.6.5 编译指示语句 35
2.6.6 行为语句的可综合性 37
2.7 电路设计举例 38
2.8 仿真 41
2.8.1 系统函数 42
2.8.2 Test Bench 43
2.8.3 ModelSim仿真 45
2.9 本章小结 48
第二篇 基础篇
第3章 教学版OpenMIPS处理器蓝图 50
3.1 系统设计目标 50
3.1.1 设计目标 50
3.1.2 五级流水线 50
3.1.3 指令执行周期 52
3.2 教学版OpenMIPS处理器接口 53
3.3 文件说明 54
3.4 实现方法 55
第4章 第一条指令ori的实现 58
4.1 ori指令说明 58
4.2 流水线结构的建立 59
4.2.1 流水线的简单模型 59
4.2.2 原始的OpenMIPS五级流水线结构 60
4.2.3 一些宏定义 62
4.2.4 取指阶段的实现 63
4.2.5 译码阶段的实现 65
4.2.6 执行阶段的实现 74
4.2.7 访存阶段的实现 78
4.2.8 回写阶段的实现 81
4.2.9 顶层模块OpenMIPS的实现 81
4.3 验证OpenMIPS实现效果 85
4.3.1 指令存储器ROM的实现 85
4.3.2 最小SOPC的实现 87
4.3.3 编写测试程序 88
4.3.4 建立Test Bench文件 89
4.3.5 使用ModelSim检验OpenMIPS实现效果 90
4.4 MIPS编译环境的建立 92
4.4.1 VisualBox的安装与设置 93
4.4.2 GNU工具链的安装 96
4.4.3 使用GNU工具进行编译 97
4.4.4 使用GNU工具进行链接 99
4.4.5 得到ROM初始化文件 102
4.4.6 编写Makefile文件 103
4.5 第一条指令实现小结 105
第5章 逻辑、移位操作与空指令的实现 107
5.1 流水线数据相关问题 107
5.2 OpenMIPS对数据相关问题的解决措施 111
5.3 测试数据相关问题的解决效果 115
5.4 逻辑、移位操作与空指令说明 115
5.5 修改OpenMIPS以实现逻辑、移位操作与空指令 119
5.5.1 修改译码阶段的ID模块 120
5.5.2 修改执行阶段的EX模块 127
5.6 测试程序1——测试逻辑操作实现效果 129
5.7 测试程序2——测试移位操作与空指令实现效果 130
5.8 小结 131
第6章 移动操作指令的实现 132
6.1 移动操作指令说明 132
6.2 移动操作指令实现思路 133
6.2.1 新的数据相关情况的解决 135
6.2.2 系统结构的修改 136
6.3 修改OpenMIPS以实现移动操作指令 137
6.3.1 HI、LO寄存器的实现 137
6.3.2 修改译码阶段的ID模块 138
6.3.3 修改执行阶段 141
6.3.4 修改访存阶段 146
6.3.5 修改回写阶段 149
6.3.6 修改OpenMIPS顶层模块 149
6.4 测试程序 150
第7章 算术操作指令的实现 152
7.1 简单算术操作指令说明 153
7.2 简单算术操作指令实现思路 156
7.3 修改OpenMIPS以实现简单算术操作指令 157
7.3.1 修改译码阶段的ID模块 157
7.3.2 修改执行阶段的EX模块 164
7.4 测试简单算术操作指令实现效果 171
7.5 流水线暂停机制的设计与实现 174
7.5.1 流水线暂停机制的设计 174
7.5.2 流水线暂停机制的实现 175
7.6 乘累加、乘累减指令说明 180
7.7 乘累加、乘累减指令实现思路 181
7.8 修改OpenMIPS以实现乘累加、乘累减指令 182
7.8.1 修改译码阶段的ID模块 182
7.8.2 修改执行阶段的EX模块 184
7.8.3 修改EX/MEM模块 189
7.8.4 修改OpenMIPS模块 190
7.9 测试乘累加、乘累减指令实现效果 190
7.10 除法指令说明 191
7.11 除法指令实现思路 192
7.11.1 试商法 192
7.11.2 实现思路 193
7.11.3 系统结构的修改 193
7.12 修改OpenMIPS以实现除法指令 194
7.12.1 增加DIV模块 194
7.12.2 修改译码阶段的ID模块 199
7.12.3 修改执行阶段的EX模块 200
7.12.4 修改OpenMIPS模块 204
7.13 测试除法指令实现效果 204
7.14 数据流图的修改 205
第8章 转移指令的实现 206
8.1 延迟槽 206
8.2 转移指令说明 207
8.3 转移指令实现思路 210
8.3.1 实现思路 210
8.3.2 数据流图的修改 210
8.3.3 系统结构的修改 211
8.4 修改OpenMIPS以实现转移指令 212
8.4.1 修改取指阶段的PC模块 212
8.4.2 修改译码阶段 213
8.4.3 修改执行阶段的EX模块 223
8.4.4 修改OpenMIPS模块 225
8.5 测试转移指令的实现效果 225
8.5.1 测试跳转指令 225
8.5.2 测试分支指令 227
第9章 加载存储指令的实现 230
9.1 加载存储指令说明 230
9.1.1 加载指令lb、lbu、lh、lhu、lw说明 230
9.1.2 存储指令sb、sh、sw说明 231
9.1.3 加载存储指令用法示例 232
9.1.4 加载指令lwl、lwr说明 233
9.1.5 存储指令swl、swr说明 235
9.2 加载存储指令实现思路 238
9.2.1 数据流图的修改 239
9.2.2 系统结构的修改 240
9.3 修改OpenMIPS以实现加载存储指令 240
9.3.1 修改译码阶段 240
9.3.2 修改执行阶段 247
9.3.3 修改访存阶段 249
9.3.4 修改OpenMIPS顶层模块 260
9.4 修改最小SOPC 261
9.4.1 添加数据存储器RAM 262
9.4.2 修改最小SOPC 264
9.5 测试程序 265
9.6 链接加载指令ll、条件存储指令sc说明 267
9.7 ll、sc指令实现思路 269
9.7.1 ll、sc指令实现思路 269
9.7.2 数据流图的修改 270
9.7.3 系统结构的修改 271
9.8 修改OpenMIPS以实现ll、sc指令 271
9.8.1 LLbit寄存器的实现 271
9.8.2 修改译码阶段的ID模块 273
9.8.3 修改访存阶段 275
9.8.4 修改OpenMIPS模块 279
9.9 测试ll、sc指令实现效果 279
9.10 load相关问题 281
9.10.1 load相关问题介绍 281
9.10.2 解决方法 281
9.11 修改OpenMIPS以解决load相关问题 283
9.11.1 修改译码阶段的ID模块 283
9.11.2 修改OpenMIPS模块 284
9.12 测试load相关问题解决效果 285
9.13 小结 286
第10章 协处理器访问指令的实现 287
10.1 协处理器介绍 287
10.2 协处理器CP0中的寄存器 288
10.3 协处理器CP0的实现 295
10.4 协处理器访问指令说明 300
10.5 协处理器访问指令实现思路 300
10.5.1 实现思路 300
10.5.2 数据流图的修改 301
10.5.3 系统结构的修改 301
10.6 修改OpenMIPS以实现协处理器访问指令 303
10.6.1 修改译码阶段 303
10.6.2 修改执行阶段 305
10.6.3 修改访存阶段 311
10.6.4 修改OpenMIPS模块 314
10.7 测试程序 314
第11章 异常相关指令的实现 316
11.1 MIPS32架构中定义的异常类型 316
11.2 精确异常 318
11.3 异常处理过程 319
11.4 异常相关指令介绍 321
11.4.1 自陷指令 321
11.4.2 系统调用指令syscall 324
11.4.3 异常返回指令eret 325
11.5 异常处理实现思路 325
11.5.1 实现思路 325
11.5.2 修改数据流图 326
11.5.3 修改系统结构 326
11.6 修改OpenMIPS以实现异常处理 328
11.6.1 修改取指阶段 328
11.6.2 修改译码阶段 330
11.6.3 修改执行阶段 339
11.6.4 修改访存阶段 346
11.6.5 修改协处理器CP0 352
11.6.6 修改控制模块CTRL 355
11.6.7 修改OpenMIPS 357
11.7 再次修改最小SOPC 358
11.8 测试程序 359
11.8.1 测试程序1——测试系统调用异常 359
11.8.2 测试程序2——测试自陷异常 361
11.8.3 测试程序3——测试时钟中断 364
11.9 教学版OpenMIPS处理器实现小结 366
第三篇 进阶篇
第12章 实践版OpenMIPS处理器设计与实现 368
12.1 实践版OpenMIPS处理器的设计目标 368
12.2 Wishbone总线介绍 370
12.2.1 Wishbone总线接口说明 370
12.2.2 Wishbone总线单次读操作的过程 372
12.2.3 Wishbone总线单次写操作的过程 373
12.2.4 SEL_O/SEL_I信号说明 374
12.3 实践版OpenMIPS处理器接口 375
12.4 实践版OpenMIPS处理器的实现思路 376
12.5 从教学版OpenMIPS到实践版OpenMIPS 378
12.5.1 Wishbone总线接口模块的实现 378
12.5.2 修改CTRL模块 384
12.5.3 修改OpenMIPS顶层模块 386
12.6 实践版OpenMIPS处理器实现小结 386
第13章 基于实践版OpenMIPS的小型SOPC 387
13.1 小型SOPC的结构 387
13.2 Wishbone总线互联矩阵WB_CONMAX 388
13.3 GPIO 390
13.4 UART控制器 392
13.4.1 UART简介 392
13.4.2 UART16550 IP核介绍 394
13.5 Flash控制器 398
13.5.1 Flash简介 398
13.5.2 Flash控制器的设计 399
13.5.3 Flash控制器的实现 400
13.6 SDRAM控制器 403
13.6.1 SDRAM简介 403
13.6.2 SDRAM CONTROLLER IP核 409
13.7 实现基于实践版OpenMIPS的小型SOPC 412
13.8 本章小结 423
第14章 验证实践版OpenMIPS处理器 424
14.1 DE2平台简介 424
14.2 测试需要的硬件连接 425
14.3 QuartusII工程建立 426
14.4 测试步骤说明 430
14.5 测试一——GPIO实验 431
14.5.1 测试内容 431
14.5.2 测试程序 431
14.5.3 编译测试程序 432
14.5.4 将测试程序写入Flash芯片 433
14.5.5 下载小型SOPC到DE2 435
14.5.6 测试效果 435
14.6 测试二——UART实验 435
14.6.1 测试内容 435
14.6.2 测试程序 436
14.6.3 测试效果 438
14.7 测试三——模拟操作系统的加载过程 439
14.7.1 测试内容 439
14.7.2 测试程序BootLoader 439
14.7.3 测试程序SimpleOS 443
14.7.4 将测试程序写入Flash 446
14.7.5 测试效果 448
14.8 本章小结 449
第15章 为OpenMIPS处理器移植μC/OS-II 450
15.1 为什么需要操作系统 450
15.2 嵌入式实时操作系统介绍 451
15.3 μC/OS-II简介 452
15.4 μC/OS-II特点 452
15.5 μC/OS-II的几个概念 454
15.5.1 任务 454
15.5.2 任务调度 456
15.5.3 任务切换 456
15.5.4 μC/OS-II的中断处理 457
15.5.5 时钟节拍 457
15.5.6 μC/OS-II的初始化 458
15.5.7 μC/OS-II的启动 458
15.6 μC/OS-II的基本功能 458
15.6.1 任务间的通信与同步 459
15.6.2 任务管理 459
15.6.3 时间管理 459
15.6.4 内存管理 460
15.7 μC/OS-II的文件体系 460
15.8 μC/OS-II的移植条件 461
15.9 C语言中使用汇编代码 463
15.10 MIPS函数调用规范 465
15.10.1 寄存器使用规范 465
15.10.2 参数传递 466
15.10.3 函数返回值 466
15.10.4 堆栈布局 467
15.10.5 示例 468
15.11 μC/OS-II在OpenMIPS处理器上的移植 470
15.11.1 文件目录的建立 470
15.11.2 修改os_cpu.h文件 473
15.11.3 修改os_cpu_a.S文件 474
15.11.4 修改os_cpu_c.c文件 496
15.12 测试程序 500
15.12.1 创建openmips.h文件 500
15.12.2 创建openmips.c文件 502
15.13 编译指示文件的建立 508
15.14 OpenMIPS处理器运行移植后的μC/OS-II 515
15.15 本章小结 516
附录A 教学版OpenMIPS各个模块的接口说明 517
A.1 PC模块接口说明 517
A.2 IF/ID模块接口说明 518
A.3 ID模块接口说明 518
A.4 Regfile模块接口说明 520
A.5 ID/EX模块接口说明 520
A.6 EX模块接口说明 521
A.7 DIV模块接口说明 524
A.8 EX/MEM模块接口说明 525
A.9 MEM模块接口说明 527
A.10 MEM/WB模块接口说明 529
A.11 CP0模块接口说明 530
A.12 LLbit模块接口说明 532
A.13 HILO模块接口说明 532
A.14 CTRL模块接口说明 533
附录B OpenMIPS实现的所有指令及对应的机器码 534
B.1 逻辑操作指令 534
B.2 移位操作指令 534
B.3 移动操作指令 535
B.4 算术操作指令 535
B.5 转移指令 536
B.6 加载存储指令 536
B.7 协处理器访问指令 537
B.8 异常相关指令 537
B.9 空指令及其他指令 537
参考文献 538

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