自己动手写CPU(3)逻辑、移位操作与空指令

指令说明

MIPS32指令集架构中定义的逻辑操作指令有8条: and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，其中 ori指令已经实现。

MIPS32指令集架构中定义的移位操作指令有6条: sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。

MIPS32指令集架构中定义的空指令有2条: nop、ssnop。其中 ssnop是一种特殊类型的空操作，在每个周期发射多条指令的CPU中，使用ssnop指令可以确保单独占用一个发射周期。OpenMIPS 设计为标量处理器，也就是每个周期发射一条指令，所以ssnop 的作用与nop相同，可以按照nop指令的处理方式来处理ssnop指令。

此外还有sync、pref这两条指令，其中sync指令用于保证加载、存储操作的顺序，但对于OpenMIPS而言，它是严格按照指令顺序执行的，加载、存储操作也是按照操作顺序进行的，所以可以将sync指令当做nop指令处理；pref指令用于缓存预取，OpenMIPS未实现缓存，所以也将该指令当做nop指令处理。

指令格式

and、or、xor、nor指令格式

and指令，功能码是6’b100100，逻辑“与”运算。

指令用法：and rd, rs,rt (rd <- rs AND rt)
or指令，功能码是6’b100101，逻辑“或”运算。

指令用法：or rd, rs,rt (rd <- rs OR rt)
xor指令，功能码是6’b100110，异或运算。

指令用法：xor rd, rs,rt (rd <- rs XOR rt)
nor指令，功能码是6’b100111，或非运算。

指令用法：nor rd, rs,rt (rd <- rs NOR rt)

andi、xori指令格式

andi指令，指令码是6’b001100,逻辑“与”运算。

指令用法：andi rt, rs,imm ( rt <- rs AND zero_extended(imm) )
xori指令，指令码是6’b01110,逻辑“异或”运算

指令用法：xori rt, rs,imm ( rt <- rs XORI zero_extended(imm) )

lui指令格式

指令用法：lui rt,imm ( rt <- imm || 0^16 , 即将指令中的16bit立即数保存到地址为rt的通用寄存器的高16位，低16位用0填充)

sll、srl、sra、sllv、srlv、 srav指令格式

sll指令，功能码是6’b000000,逻辑左移

指令用法：sll rd,rt,sa ( rd <- rt << sa(logic) rt的值向左移位sa位，空出来的位置用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)
srl指令，功能码是6’b000010,逻辑右移

指令用法：srl rd,rt,sa ( rd <- rt >> sa(logic) rt的值向右移位sa位，空出来的位置用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)
sra指令，功能码是6’b000011,算术右移

指令用法：sra rd,rt,sa ( rd <- rt >> sa(arithmetic) rt的值向右移位sa位，空出来的位置用rt[31]的值填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)
sllv指令，功能码是6’b000100，逻辑左移

指令用法：sllv rd,rt,rs ( rd <- rt << rs[4:0] rt的值向左移位rs[4:0]位，空出来的位置用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)
srlv指令，功能码是6’b000110，逻辑右移

指令用法：srlv rd,rt,rs ( rd <- rt >> rs[4:0] rt的值向右移位rs[4:0]位，空出来的位置用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)
srav指令，功能码是6’b000111,算术右移

指令用法：srav rd,rt,rs ( rd <- rt >> rs[4:0] rt的值向右移位rs[4:0]位，空出来的位置用rt[31]填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中)

nop、ssnop、sync、pref指令格式

指令说明：空指令

修改代码

为了实现逻辑、移位操作与空指令(其中 nop、ssnop不用特意实现，可以认为是特殊的逻辑左移指令sll)，只需要修改OpenMIPS 的如下两个模块。

修改译码阶段的ID模块，用以实现对上述指令的译码。
修改执行阶段的EX模块，使其按照译码结果进行运算。

确定指令种类的过程

疑问之处：书上提供的sync指令的op[10:6]=00001，但代码中判断认为op[10:6]=00000，查阅MIPS32手册后发现，op[10:6]为stype码，可以指定多种类型，全0和00001都在其中，如下图

仿真结果

逻辑功能测试波形图

移位功能测试波形图

与书上提供的汇编代码结果进行核验后完全正确，功能正常实现。其中调试逻辑功能波形图时，寄存器出现X的情况，调试了近两个小时发现是顶层连线连错了，真是个低级错误，希望大家认真仔细，不要重蹈我的覆辙。

项目链接