引言

此专栏的文章记录自己学习《自己动手写CPU》的过程。算是一个学习笔记，里面也会夹杂个人的思考以及代码编写。希望自己可以像作者一样，坚持到最后。加油~~

本篇学习MIPS32处理器的基本架构。

致谢

感谢书籍《自己动手写CPU》及其作者雷思磊。一并感谢开源精神。

引言

致谢

处理器与MIPS

1、计算机的简单模型

2、架构与指令集

3、MIPS的ISA演变

4、MIPS32 Release 1 指令集架构

1、数据类型

2、寄存器

3、字节次序

4、指令格式

5、指令集

6、寻址方式

7、协处理器CP0

8、异常

硬件描述语言 Verilog

处理器与MIPS

1、计算机的简单模型

计算机主要由三大组成部分构成：处理器、输入输出、存储器。

汇编指令将助记符进行译码，变为二进制数据，供计算机识别、执行。

高级语言先通过编译变为汇编语言，然后通过汇编指令将指令翻译为二进制编码数据。

2、架构与指令集

指令集架构（ISA）：包括了一套指令集和一些寄存器。面向ISA编程的最大优点就是，程序的执行无关处理器类型，无关硬件。ISA本身是一个抽象物，不涉及任何实现的硬件与环境。

微架构：是ISA的具体实现。

同样的ISA，不同的微架构则会带来不同的性能。

根据不同的ISA，可将计算机分为两类：复杂指令集计算机（CISC）、精简指令集计算机（RISC）。二者的主要区别在于：

CISC指令编码长度不一致；

RISC指令编码长度一致且固定；

ISA种类：

x86：属CISC范畴

ARM：Acorn RISC Machine ，属RISC范畴，目前ARM公司仅作CPU内核设计，不做具体的芯片制造和生产。其产品侧重于低功耗、低成本，主要面向嵌入式应用。

SPARC：Scalable Processor ARChitecture ，可扩展处理器架构。属RISC范畴。

POWER：Performance Optimization With Enhanced RISC ，属RISC范畴。IBM公司的产品。

MIPS：Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无内锁流水线处理器。属RISC范畴。其设计理念：使用简单的指令，结合优秀的编译器，采用流水线执行指令的硬件，就可以用更少的晶圆面积生产更快的处理器。龙芯处理器采用的就是此架构。

3、MIPS的ISA演变

4、MIPS32 Release 1 指令集架构

该参考数目的处理器设计就是遵循 MIPS32 Release 1 架构。

1、数据类型

位（b）：长度为 1 bit；
字节（Byte）:长度为8 bit；
半字（HalfWord）:长度16 bit；
字（Word）:长度为 32 bit；
双字（Double Word）:长度为 64bit；
另：32位单精度浮点数，64位双精度浮点数；

2、寄存器

MIPS32的指令中处了 加载/存储 指令外，其他指令都是用寄存器或者立即数作为操作数。因为寄存器的存取可以在一个时钟周期内完成。

MIPS32中的寄存器类别：通用寄存器、特殊寄存器。

1、通用寄存器

MIPS32架构定义了 32 个 32 位宽的寄存器，用 $0 ~ $31表示。$0 一般用作常量 0；

实际使用中，寄存器一般遵循如下的约定：

2、特殊寄存器

MIPS32中的特殊寄存器有3个：PC（程序计数器）、HI（乘除结果高位寄存器）、LO（乘除结果地位寄存器）。乘法运算时，HI保存乘法结果的高32位，LO保存低32位。除法运算时，HI存储余数，LO存储商。