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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