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前言

本项目总体上资源参考雷思磊老师的《自己动手写CPU》，在此向雷老师致敬。

该项目本为学校课程要求，但就我校学生来说难度较大，加之对硬件感兴趣学生较少， 导致完成量较少，故此公布自己验收后的源码，给后续同学做一个参考。

由于本学校对学生要求难度还不是很高，仅要求实现MIPS的32条简单指令。

主要有以下几类：

1. 逻辑操作指令： and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui
2. 移位操作指令： sll、sllv、sra、srav、srl、srlv
3. 算数操作指令： add、addi、addiu、addu、sub、subu、slt、slti、sltiu、sltu
4. 转移操作指令： j、jr、jal、beq、bne
5. 加载操作指令： lw、sw

具体指令被内容参照文件MIPS32条指令.pdf

##主要功能模块 由于只需要实现32条指令，其中还不包括“乘法“、“除法”等复杂的运算指令，故只需要基本模块即可实现要求。

模块连接图参照openmips模块连接关系图.png。

在此只介绍主要功能模块，if_id、id_ex、ex_mem、mem_wb模块只起两个模块之间的传值 作用，故此不做介绍。

本CPU设计时加入了流水线的设计，为了解决数据相关会导致的错误，加入了数据前推的操作， 所以在译码和访存模块，会见到有数据回传至译码模块，这样做的目的是在，提升效率的同时，保证数据的正确性。

PC

也即程序计数器，对应文件为pc_reg.v，主要实现的细节很简单：

输入：

1. rst为重置输入，rst使能时禁止当前重置当前的程序计数器，芯片使能停止。
2. branch_flag_i、branch_target_address_i在转移指令时才会使用，使能时 将程序计数器的值置为目标地址，branch_flag_i为使能标志，branch_target_address_i为目标地址。

输出：

1. pc为指令地址，输出至rom中取值。
2. ce为芯片使能。

ROM

根据PC模块传入的地址取得目标指令，并送入译码模块进行译码。

输入：

1. addr为pc传进来的要执行的指令的地址。

输出：

1. inst为取到的指令（32位）。

ID

众所周知为译码模块，对取得的指令进行分析。

输入：

1. pc_i 从pc模块传入的指令地址，在移动指令中才会用到，根据目前的指令地址，进行操作得出新指令。
2. inst_i为取到的指令。
3. ex_aluop_i 为执行模块执行的运算类型
4. ex_wreg_i 执行模块执行指令是否要写寄存器
5. ex_wdata_i 执行模块执行指令要写寄存器的值
6. ex_wd_i执行模块要执行指令要写寄存器的地址
7. mem_wreg_i 回写模块执行指令是否要写寄存器
8. mem_wdata_i 回写模块执行指令要写寄存器的值
9. mem_wd_i回写模块要执行指令要写寄存器的地址
10. reg1_data_i 从寄存器中取得的reg1对应的值
11. reg2_data_i 从寄存器中取得的reg2对应的值

输出：

1. reg1_read_o为第一个读寄存器端口的使能信号
2. reg2_read_o为第二个读寄存器端口的使能信号
3. reg1_addr_o为第一个读寄存器端口的使能信号
4. reg2_read_o为第二个读寄存器端口的地址信号
5. aluop_o为运算子类型
6. alusel_o为运算类型
7. reg1_o译码阶段源操作数1
8. reg2_o译码阶段源操作数2
9. wd_o译码阶段要写入寄存器的地址
10. wreg_o译码阶段是否有要写入的寄存器
11. inst_o指令
12. branch_flag_o上文提到的，只有在转移指令执行时才会用到，标识变量
13. branch_target_address_o目标转移地址
14. link_addr_o译码阶段需要保存的当前指令地址（用于转移指令时保存返回地址）

###Regfile 即模拟的寄存器模块，MIPS拥有32个32位寄存器，此处用32*32的二维数组表示该寄存器。 寄存器模块一般由译码模块请求，根据读寄存器端口的地址信号，读出寄存器中存储的指令，经执行-访存-回写后，由回写模块将需要保存的值 写入对应地址。

输入：

1. waddr 要写入的寄存器的地址
2. wdata要写入的数据
3. we写使能信号
4. raddr1第一个读寄存器端口要读取的地址
5. raddr2第二个读寄存器端口要读取的地址
6. re1第一个读寄存器使能信号
7. re2第二个读寄存器使能信号

输出：

1. rdata1第一个读寄存器端口输出的寄存器的值
2. rdata2第二个读寄存器端口输出的寄存器的值

EX

根据译码模块的译码结果进行相应的运算，将运算结果传给下一个模块。

输入：

1. alusel_i执行阶段要执行的运算类型
2. aluop_i执行阶段要执行的运算子类型
3. reg1_i参与运算的源操作数1
4. reg2_i参与运算的源操作数2
5. wd_i指令执行要写入的寄存器地址
6. wreg_i是否要写入寄存器的使能变量
7. inst_i取得的指令
8. link_address_i译码阶段需要保存的指令地址

输出：

1. wd_o同输入
2. wreg_o同输入
3. wdata_o执行阶段运算后要写入的寄存器的值
4. mem_addr_o加载、存储指令对应的ram地址
5. aluop_o
6. reg2_o

MEM

该模块为访存模块，即为将执行模块的结果，根据需要写入寄存器或内存。

输入：

1. wd_i访存阶段的指令要写入的寄存器地址
2. wreg_i访存阶段的指令要写入的寄存器的使能变量
3. wdata_i访存阶段的指令要写入的寄存器的值
4. mem_addr_i访存阶段的指令要写入的ram地址
5. reg2_i访存阶段，存储、加载指令要存储的数据
6. mem_data_i从存储器中读出的值

输出：

1. wd_o同输入
2. wreg_o同输入
3. wdata_o同输入
4. mem_addr_o同输入
5. mem_we_o是否为写操作
6. mem_sel_o字节选择信号
7. mem_data_o要写入存储器的值
8. mem_ce_o存储器使能信号

RAM

输入：

1. ce芯片使能信号
2. we写入存储器的使能信号
3. addr写入存储器的地址
4. sel字节选择信号
5. data_i最终写入存储器的值

输出：

1. data_o从存储器中读出的值

模块调用

1. openmips.v为顶层模块，对除ROM部分的所有模块例化连接，连接关系见openMips连接关系图， 形成一个最简易CPU。
2. openmips_min_sopc.v加入ROM部分，形成一个SOPC，使用initial指令初始化ROM，OpenMIPS从指令存储器读取指令，进入OpenMIPS执行。
3. opmips_min_sopc_tb.v仿真文件
4. inst_rom.data.v指令文件