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第1章 集成电路发展与CPU设计1

1.1 集成电路的发展1

1.1.1 标准芯片1

1.1.2 可编程逻辑器件1

1.1.3 定制芯片2

1.2 CPU设计概述3

1.2.1 寄存器组设计4

1.2.2 桶形移位器设计5

1.2.3 ALU部件设计6

1.2.4 单周期CPU设计11

1.2.5 多周期CPU设计13

1.2.6 流水线CPU设计22

第2章 MIPS指令描述23

2.1 算术运算指令27

2.1.1 add指令27

2.1.2 addi指令27

2.1.3 addiu指令28

2.1.4 addu指令28

2.1.5 clo指令28

2.1.6 clz指令29

2.1.7 div指令29

2.1.8 divu指令30

2.1.9 madd指令30

2.1.10 maddu指令31

2.1.11 msub指令31

2.1.12 msubu指令31

2.1.13 mul指令32

2.1.14 mult指令32

2.1.15 multu指令33

2.1.16 slt指令33

2.1.17 slti指令34

2.1.18 sltiu指令34

2.1.19 sltu指令35

2.1.20 sub指令35

2.1.21 subu指令36

2.1.22 seb指令36

2.1.23 seh指令36

2.2 逻辑运算指令37

2.2.1 and指令37

2.2.2 andi指令37

2.2.3 lui指令37

2.2.4 nor指令38

2.2.5 or指令38

2.2.6 ori指令38

2.2.7 xor指令38

2.2.8 xori指令39

2.3 移位指令39

2.3.1 sll指令39

2.3.2 sllv指令40

2.3.3 sra指令40

2.3.4 srav指令40

2.3.5 srl指令41

2.3.6 srlv指令41

2.3.7 rotr指令42

2.3.8 rotrv指令42

2.4 分支跳转指令43

2.4.1 b指令43

2.4.2 bal指令43

2.4.3 beq指令43

2.4.4 bgez指令44

2.4.5 bgezal指令44

2.4.6 bgtz指令45

2.4.7 blez指令45

2.4.8 bltz指令46

2.4.9 bltzal指令46

2.4.10 bne指令47

2.4.11 j指令47

2.4.12 jal指令48

2.4.13 jalr指令48

2.4.14 jalr.hb指令49

2.4.15 jr指令49

2.4.16 jr.hb指令50

2.5 废弃分支跳转指令50

2.5.1 beql指令50

2.5.2 bgezall指令51

2.5.3 bgezl指令51

2.5.4 bgtzl指令52

2.5.5 blezl指令53

2.5.6 bltzall指令53

2.5.7 bltzl指令54

2.5.8 bnel指令54

2.6 存取控制指令55

2.6.1 lb指令55

2.6.2 lbu指令55

2.6.3 lh指令56

2.6.4 lhu指令56

2.6.5 ll指令57

2.6.6 lw指令58

2.6.7 lwl指令58

2.6.8 lwr指令60

2.6.9 sb指令61

2.6.10 sc指令61

2.6.11 sh指令62

2.6.12 sw指令63

2.6.13 swl指令63

2.6.14 swr指令65

2.6.15 pref指令66

2.6.16 sync指令66

2.6.17 synci指令67

2.7 数据移动指令67

2.7.1 mfhi指令67

2.7.2 mflo指令68

2.7.3 movn指令68

2.7.4 movz指令68

2.7.5 mthi指令69

2.7.6 mtlo指令69

2.7.7 rdhwr指令69

2.8 指令控制指令70

2.8.1 nop指令70

2.8.2 ehb指令70

2.8.3 pause指令71

2.8.4 ssnop指令72

2.9 自陷指令72

2.9.1 break指令72

2.9.2 syscall指令73

2.9.3 teq指令73

2.9.4 teqi指令73

2.9.5 tge指令74

2.9.6 tgei指令74

2.9.7 tgeiu指令75

2.9.8 tgeu指令75

2.9.9 tlt指令75

2.9.10 tlti指令76

2.9.11 tltiu指令76

2.9.12 tltu指令76

2.9.13 tne指令77

2.9.14 tnei指令77

2.10 提取字段指令78

2.10.1 ext指令78

2.10.2 ins指令78

2.10.3 wsbh指令79

第3章 实验篇80

3.1 实验一 寄存器组设计实验80

3.1.1 实验目的80

3.1.2 实验设备80

3.1.3 实验原理图80

3.1.4 实验任务81

3.1.5 实验步骤84

3.1.6 实验报告的要求84

3.1.7 思考题85

3.1.8 ARM 32位CPU寄存器的定义与使用说明85

3.2 实验二 32位桶形移位器设计实验89

3.2.1 实验目的89

3.2.2 实验设备89

3.2.3 实验电路方框图与电路原理图89

3.2.4 实验任务91

3.2.5 实验步骤93

3.2.6 实验报告的要求93

3.2.7 思考题93

3.2.8 ARM体系结构中允许的移位方式94

3.3 实验三 ALU与ALU控制器设计实验95

3.3.1 实验目的95

3.3.2 实验设备95

3.3.3 实验任务95

3.3.4 实验原理与电路图95

3.3.5 实验步骤99

3.3.6 实验报告的要求99

3.3.7 思考题99

3.3.8 在设计ARM 32位CPU中运算器时应该考虑的问题99

3.4 实验四 单周期CPU的设计实验100

3.4.1 实验目的100

3.4.2 实验设备100

3.4.3 实验任务100

3.4.4 实验原理参考电路图101

3.4.5 实验步骤102

3.4.6 实验报告的要求102

3.4.7 思考题102

3.5 实验五 多周期CPU的设计实验102

3.5.1 实验目的102

3.5.2 实验设备103

3.5.3 实验任务103

3.5.4 实验原理电路图与状态图104

3.5.5 实验步骤113

3.5.6 实验报告的要求113

3.5.7 思考题114

3.6 实验六 MIPS流水线CPU的设计实验114

3.6.1 实验目的114

3.6.2 实验设备114

3.6.3 实验任务114

3.6.4 实验原理与电路图115

3.6.5 实验步骤115

3.6.6 实验报告的要求115

3.6.7 思考题115

3.7 实验七 ARM流水线CPU的设计实验116

3.7.1 实验目的116

3.7.2 实验设备116

3.7.3 实验任务116

3.7.4 实验步骤116

3.7.5 实验报告的要求116

3.7.6 思考题116

3.8 实验八 按自己设定的任务进行CPU的设计实验117

3.8.1 实验目的117

3.8.2 实验设备117

3.8.3 实验任务117

3.8.4 实验步骤117

3.8.5 实验报告的要求117

3.8.6 思考题117

参考文献119