第一章32位单周期RISC处理器设计
要设计一款处理器，首先要选择体系结构，本题选择的是RISC体系结构，因为它适合于流水线设计。然后需要选择一个标准的指令集，本题选择的MIPS指令集并按照常规的五段流水的方式来实现流水线。流水线的实现过程将在第二章介绍。
11目标处理器指令集与指令格式
本题目标CPU以能实现部分MIPS指令为目标，具体指令如下表1：
类别算术运算
逻辑运算
数据传递
条件分支无条件跳转空操作
指令加add减sub立即数加addi立即数减subi与a
d或or或非
or立即数与a
di立即数或ori立即数或非
ori取字lw存字sw相等转移beq小于比较slt立即数小于比较slti跳转jL空操作
op
格式RRIIRRRIIIIIIRIJ
表1目标CPU指令集
12从指令具体行为反推设计方案从指令具体行为反推设计方案
CPU要执行一条指令，不外乎需要完成以下几个过程取指令，指令译码，将译码出的指令放到算术逻辑运算部件ALU上执行运算，根据ALU算得的访存地址进行访存和将访存的结果写回寄存器等。当然，不同的指令类型（R、I、J）可能经过的过程稍有不同，即它们的数据通路有所不同，以下将具体介绍：1、R格式指令数据通路：1）从指令寄存器I
strMEM中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；
1
f2．）寄存器单元rs1和rs2的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU根据功能码Opcoder确定操作方式，对从寄存器堆读出的数据进行计算；4．）ALU运算结果被写入寄存器堆，由rd确定写入的寄存器堆存储单元地址。
图1R指令数据通路2I指令（除lw、sw和分支指令）数据通路如图2：1．）从指令寄存器I
strMem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加；4．）ALU的运算结果被写入寄存器堆，由rt确定写入的寄存器堆存储单元地址。
图2
I指令（除lw、sw和分支指令）数据通路
2
f3、Lw指令数据通路如图3：1．）从指令寄存器I
strMem中取出指令，同时PC增值（即加1等待下个CLK到来）；2．）寄存器单元rs1的内容从寄存器堆RegFile中读出；3．）ALU将从寄存器堆rs1单元中读出的数据与符号扩展后的指令低16位值相加；4．）将ALU的运算结果作为数据存贮器的地址读出相应单元的内容；5）把从数据存储单元取出的数据写入寄存器堆，rt确定写入的寄存器存储单元地址。由
图3LW指令数据通路4、Swr