自己动手写CPU——第一篇

1 设计目标

从本章开始将一步一步实现教学版 openMIPS处理器。首先介绍系统的设计目标，其中详细说明了openMIPS处理器计划实现的5级流水线。

1.1 设计目标

openmips 设计的目标如下：

1. 五级流水线，分别是：取指、译码、执行、访存、回写
2. 哈佛结构。分开的指令和数据接口
3. 32个32位整数寄存器
4. 大端模式
5. 向量化异常处理，支持精确异常处理
6. 支持6个外部中断
7. 具有32bit数据、地址总线宽度
8. 能实现单周期乘法
9. 支持延迟转移
   10.兼容MIPS32指令集架构，支持MIPS32指令集中的所有整数指令
10. 大多数指令可以在一个时钟周期内完成

1.2 五级流水线

1. 取指阶段：从指令寄存器读出指令，同时确定下一条指令地址
2. 译码阶段：对指令进行译码，从通用寄存器中读出要使用的寄存器的值，如果指令中含有立即数，那么还要将立即数进行符号扩展或者无符号扩展。如果是转移指令，并且满足转移条件，那么给出转移目标，作为新的指令地址。
3. 执行阶段：按照译码阶段给出的操作数、运算类型、进行运算，给出运算结果。如果是Load store指令，那么还会计算 load store的目标地址。
4. 访存阶段：如果是load store指令，那么在此阶段会访问数据存储器，反之，只是将执行阶段的结果向下传递到回写阶段。同时在此阶段还要判断是否有异常需要处理。如果有，那么会清除流水线，然后转移到异常处理例程入口地址处继续执行。
5. 回写阶段：将运算结果保存到目标寄存器。