login
龙芯单周期CPU指令设计指南
2025/05/28·StepFun can make mistakes, check important info.
作业：完成龙芯指令系统下add.w、addi.w、ld.w、st.w和bne这5条指令的单周期CPU的设计。内容包括：1）分析每条指令所实现的功能，实现每条指令功能需要什么功能部件，部件之间如何连接起来，同时，相关部件需要什么控制信号，即执行每条指令都需要什么控制信号。2）绘制实现上述5条指令功能的单周期CPU数据通路图。上述作业可参照MIPS指令系统下单周期CPU设计相关的内容。4）要求弄明白测试程序中两条bne指令的翻译过程及最终对应的机器指令。
Reason
来源
LoongArch 指令集设计——单周期5条指令exp5_5条指令的单 ...
assign src2_is_imm = inst_bne | inst_addi_w | inst_ld_w | inst_st_w; //在这里实现立即数选择信号 assign res_from_mem = inst_ld_w; assign gr_we = inst_add_w | inst_ld_w | inst_addi_w; assign mem_we = inst_st_w; assign src_reg_is_rd = | ;
https://static-favicon.basemind.com/01JV1WX7J6GHF5CNXHJ921GCH8
CSDN博客
龙芯自主指令系统架构LoongArch单周期处理器设计（五 ...
龙芯自主指令系统架构LoongArch单周期处理器设计（五）, 视频播放量 15925、弹幕量 17、点赞数 773、投硬币枚数 202、收藏人数 210、转发人数 70, 视频作者 龙芯中科, 作者简介 自主创新的龙芯中科，相关视频：龙芯架构LoongArch解析，龙芯自主 ...
https://static-favicon.basemind.com/01JVBHTY297EYYE2B973NZ5P6G
哔哩哔哩
第 4 章 单周期CPU设计 | LoongArch CPU设计实验
我们将从设计实现一个只有5条指令的“迷你”单周期CPU开始，逐步添加指令和其他功能，最终设计出一个支持TLB MMU和Cache可以运行操作系统的流水线CPU。 这一章我们将关注于单周期CPU的设计，具体分为两个阶段，第一阶段设计一个5条指令的单周期CPU，第二阶段将单周期CPU支持的指令增加到20条。 本章的编排重点照顾了初学者，进度安排比较缓慢，而且按照初学者惯常的学习习惯把设计方案讲解和实验环境介绍交织在一起介绍。 然而，对于已经有一定CPU设计基础的读者，建议还是把本章的内容和实践任务快速过一遍，主要是为了熟悉本书的术语体系、设计风格以及配套的实验开发环境，以便更顺畅地切入到后续章节的实践任务中。 【本章学习目标】 建立设计方案与Verilog代码实现之间的认知联系。
bookdown.org
14 web pages
CSDN博客
哔哩哔哩
知乎
知乎
CSDN技术社区
CSDN技术社区
CSDN技术社区
百度学术
电子工程世界
光明网
cnblogs.com
知乎
CSDN博客
思考过程

好的，我现在需要帮用户完成关于龙芯指令系统下五条指令的单周期CPU设计作业。首先，我得仔细理解用户的需求。作业分为几个部分：分析每条指令的功能、所需部件、连接方式、控制信号；绘制数据通路图；以及测试程序中bne指令的翻译过程和机器指令。用户还提到要参考MIPS单周期CPU的设计，所以我需要结合龙芯的LoongArch特性和已有的MIPS设计资料。

首先，我需要明确这五条指令的功能。龙芯的LoongArch和MIPS有相似之处，但也有一些不同，比如指令格式和具体操作。我需要查阅相关的LoongArch手册，确认每条指令的具体行为。例如，add.w是加法指令，addi.w是立即数加法，ld.w和st.w是加载和存储指令，bne是条件分支指令。

接下来，分析每条指令需要的功能部件。对于单周期CPU，通常包括寄存器堆、ALU、数据存储器、指令存储器、符号扩展单元、多路选择器等。每条指令的执行路径不同，比如算术指令需要ALU运算，访存指令需要访问数据存储器，分支指令需要比较操作数和计算目标地址。

然后，部件之间的连接方式。比如，add.w需要从寄存器堆读取两个源操作数，送入ALU进行加法运算，结果写回寄存器堆。控制信号方面，需要确定RegWrite、ALUSrc、ALUOp等信号的状态。对于立即数指令addi.w，可能需要符号扩展单元来处理立即数，并选择ALU的第二个操作数来源。

数据通路图的绘制需要整合这些部件和连接，确保所有指令的执行路径都被覆盖。可能需要参考现有的MIPS数据通路，并根据LoongArch的特点进行调整，比如指令格式的不同可能影响多路选择器的控制信号。

关于测试程序中的bne指令翻译，我需要了解如何将汇编指令转换为机器码。龙芯的指令编码格式可能与MIPS不同，所以需要查找LoongArch的指令编码规范。例如，bne指令的操作码、寄存器编号和偏移量如何组合成32位的机器指令。此外，偏移量的计算方式（如相对于PC的偏移）也需要明确。

在分析过程中，需要注意控制信号的具体设置。例如，对于bne指令，需要设置Branch信号为有效，同时ALU可能需要执行减法操作来比较两个寄存器是否不相等。多路选择器的控制信号如PCSrc，会根据Branch和ALU结果来决定是否跳转。

可能遇到的难点包括：LoongArch指令格式的具体细节、控制信号的准确生成逻辑、数据通路中可能的冲突或路径错误。需要仔细核对每条指令的执行步骤，确保所有控制信号正确，并且数据能够正确流动。

最后，测试程序中的bne指令可能需要计算跳转目标的地址，这涉及到偏移量的符号扩展和地址计算。需要确认龙芯的bne指令是使用相对PC的偏移，以及偏移量的位数和计算方式，从而正确翻译成机器码。

总结下来，我需要分步骤分析每条指令，明确部件和控制信号，绘制整合的数据通路，并详细解释bne指令的翻译过程。参考已有的MIPS设计和龙芯的文档，确保设计的准确性。

<思考过程>

  1. 指令功能与部件分析：

    • add.w：R型指令，实现两个寄存器相加。需要寄存器堆、ALU、多路选择器。控制信号包括：RegWrite=1, ALUSrc=0（选择寄存器），ALUOp=ADD。
    • addi.w：I型指令，寄存器与立即数相加。需要符号扩展单元、ALU。控制信号：RegWrite=1, ALUSrc=1（选择立即数），ALUOp=ADD。
    • ld.w：加载指令，从内存读取数据到寄存器。需要数据存储器、地址计算（基址+偏移）。控制信号：MemRead=1, MemtoReg=1, RegWrite=1, ALUSrc=1。
    • st.w：存储指令，将寄存器值写入内存。控制信号：MemWrite=1, ALUSrc=1（选择立即数偏移）。
    • bne：分支指令，比较寄存器不相等时跳转。需要比较器（ALU减法）、PC计算逻辑。控制信号：Branch=1, ALUOp=SUB。

  2. 数据通路设计：

    • 核心组件：指令存储器、寄存器堆、ALU、数据存储器、符号扩展单元、多路选择器（控制ALUSrc、MemtoReg、PCSrc等）。
    • 路径连接：PC指向指令存储器，指令字段拆分后连接寄存器堆、立即数扩展，ALU输入来自寄存器或立即数，存储器接口连接数据总线，分支目标地址由PC+偏移计算。

  3. 控制信号生成：

    • 根据指令操作码（如add.w=0x00, bne=0x14）生成RegWrite、ALUSrc、MemtoReg、Branch等信号，通过主控制器逻辑实现。

  4. bne指令翻译示例：

    • 汇编指令：bne $r1, $r2, label
    • 机器指令格式：6位opcode（0x14），5位rs（r1），5位rt（r2），16位偏移量（label相对PC+4的偏移，按4字节对齐右移2位后编码）。

</思考过程>

1. 指令功能分析与控制信号

（1）add.w指令

  • 功能：rd ← rs + rt
  • 所需部件：寄存器堆（读rs/rt，写rd）、ALU（加法）、多路选择器（选择ALU输入）。
  • 控制信号：
    • RegWrite=1（允许写寄存器）
    • ALUSrc=0（ALU第二个操作数来自rt寄存器）
    • ALUOp=ADD（指示ALU执行加法）
    • MemtoReg=0（结果来自ALU而非内存）

（2）addi.w指令

  • 功能：rt ← rs + SignExtend(imm)
  • 所需部件：符号扩展单元（扩展12位立即数）、ALU。
  • 控制信号：
    • RegWrite=1
    • ALUSrc=1（选择立即数）
    • ALUOp=ADD

（3）ld.w指令

  • 功能：rt ← Memory[rs + SignExtend(imm)]
  • 所需部件：数据存储器、地址计算（基址+偏移）。
  • 控制信号：
    • MemRead=1
    • MemtoReg=1（结果来自内存）
    • RegWrite=1
    • ALUSrc=1（立即数作为偏移）

（4）st.w指令

  • 功能：Memory[rs + SignExtend(imm)] ← rt
  • 控制信号：
    • MemWrite=1
    • ALUSrc=1（立即数偏移）

（5）bne指令

  • 功能：if (rs ≠ rt) then PC ← PC + 4 + SignExtend(imm)<<2
  • 所需部件：ALU（减法比较）、分支目标计算器。
  • 控制信号：
    • Branch=1（激活分支逻辑）
    • ALUOp=SUB（比较rs与rt）
    • PCSrc=1（当ALU结果非零时更新PC）

2. 单周期CPU数据通路图

LoongArch单周期CPU数据通路示意图
（注：因绘图限制，此处为示意图描述，实际需包含以下关键路径）

  • 核心路径：
    1. 指令读取：PC→指令存储器→指令解码。
    2. 寄存器访问：rs/rt→寄存器堆→ALU输入或数据存储器。
    3. 立即数处理：符号扩展单元→ALU或地址计算。
    4. ALU操作：根据指令类型执行加法/减法。
    5. 存储器访问：数据存储器的读/写接口。
    6. 分支逻辑：ALU比较结果→多路选择器更新PC。

3. bne指令翻译过程

示例汇编代码：

asm

（1）汇编到机器指令步骤：

  1. 确定偏移量：假设loop标签与bne指令相隔1条指令（4字节），则偏移量为-4（相对PC+4地址）。
  2. 编码字段：
    • opcode：0x14（bne操作码）
    • rs：$r1（编码为5位二进制）
    • rt：$r0（编码为5位）
    • imm：-4 → 16位二进制补码 1111 1111 1111 1100，右移2位后为 0xFFFC >> 2 = 0xFFF3。

（2）机器指令结果：

text

参考资料

  • LoongArch指令手册（8）
  • 单周期CPU设计原理（14）
  • RISC-V与MIPS数据通路对比（4）