挑战（一）：两周自己动手写CPU（第一章：处理器与MIPS）

题外：为了丰富秋招简历的项目经历，冲！！！

C++和汇编语言的区别：

一、架构与指令集：

ISA(Instruction Set Architecture)：指令集架构：包含一套指令集和一些寄存器，主要有x86，ARM，SPARC，POWER，MIPS，除X86是CISC ISA外，其余都为RISC ISA；本科的《微机原理与接口技术》就是基于Intel 8086处理器，即x86指令集架构；

CISC（Complex Instruction Set Computer ）：复杂指令集计算机；CISC的每条指令对应的0，1编码串长度不一；

RISC（Reduced Instruction Set Computer ）：精简指令集计算机；RISC的每条指令对应的0，1编码串长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大量使用寄存器：指令大多是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，使处理器频率大幅提升，易于设计流水线；

PS：目前绝大多数的PC使用的都是兼容X86指令集架构的处理器；ARM公司不涉及具体芯片生产，只设计低功耗，高性能的CPU内核并授权给其他公司，其他公司设计生产具体的处理器芯片，即出售IP核（Intellectual Property core）；

MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages）：无内锁流水线微处理器：使用相对简单的指令，结合优秀的编译器以及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；在工作站和服务器系统中得到了很多应用（龙芯处理器采用的MIPS架构，且本项目也采用的MIPS32 Release 1架构，MIPS架构的专利期已过，可自由使用）；

 

二、MIPS32指令集架构

1、数据类型：

 2、寄存器：

寄存器的存储可在一个时钟周期内完成，简化了寻址方式；MIPS32的指令中除加载/存储指令外，都是使用寄存器或立即数作为操作数。存储器又分为通用寄存器（GPR）和特殊寄存器两种；

（1）通用寄存器：

 

 

 

 （2）特殊寄存器：

 

 3、字节次序：

 

 4、指令格式：

 

 5、指令集：

（1）逻辑操作指令(8条)：and（与）、andi（与）、or（或）、ori（或）、xor（异或）、xori（异或）、nor（或非）、lui

（2）移位操作指令（6条）：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv：用于通用寄存器之间的数据移动，以及通用寄存器与HI、LO寄存器之间的数据移动；

（3）移动操作指令（6条）：movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo

（4）算术操作指令（21条）：add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu、madd、maddu、msub、msubu、div、divu

（5）转移指令（14条）：jr、jalr、j、jal、b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne：既有无条件转移，也有条件转移；用于程序转移到另一个地方执行；

（6）加载存储指令（14条）：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl、swr：以“l”开始的都是加载指令，以“s”开始的都是存储指令，这些指令用于从存储器中读取数据或向存储器中保存数据；

（7）协处理器访问指令（2条）：mtc0、mfc0：用于读取协处理器CP0中某个寄存器的值，或者将数据保存到协处理器CP0中的某个寄存器；

（8）异常相关指令（14条）：teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tnei（这12条为自陷指令）；syscall（系统调用指令）；eret（异常返回指令）

（9）其余指令（4条）：nop（空指令）、ssnop（特殊类型的空指令）、sync（用于保证加载、存储操作的顺序）、pref（用于缓存预取）

 

6、寻址方式：寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址、PC相对寻址

 

 7、协处理器CP0：协处理器表示处理器的一个可选部件，负责处理指令集的某个扩展，拥有与处理器相独立的寄存器。MIPS32架构提供最多4个协处理器：除CP0外的协处理器都是可选的；

（1）CP0：用作系统控制：配置CPU工作状态、高速缓存控制、异常控制、存储管理单元控制等。CP0通过配置内部的一系列寄存器来完成上述工作；

（2）CP1、CP3：用作浮点处理单元；

（3）CP2：被保留用于特定实现；

 

8、异常：