SystemC MIPS

目录

1 SystemC的背景知识 (1)

2 MIPS 3种指令的流程..............................................................................................................2-6

3 SystemC设计MIPS...............................................................................................................7-12 4总结 (13)

参考文献 (13)

用SystemC实现简单的MIPS SystemC的背景知识

目前的电子产品设计存在2个发展趋势，

1．电子产品的面市时间日益缩短

2．电子产品和大有前途的基于平台设计方法，其复杂度都在不断增长

这两点都要求建立高速的的可执行模型，以较高的抽象层次表达较低层次的电路结构。SystemC正是在这一背景下诞生的。业界认为，SystemC有望在1~2年内成为IEEE的标准。学习该语言有助于将来向系统设计方向扩展。

学习SystemC要求的背景知识：首先必须了解C++语言的基础知识，这是不可或缺的。其次还应该有逻辑设计的背景。如果已经了解VHDL和V erilogHDL这两种广为流传的硬件描述语言中的任何一种，那么学习SystemC将会如鱼得水，但这不是必须的。嘿嘿，可以偷懒了!

MIPS 3种指令的流程

MIPS是一种简洁的设计，指令集比较简单，因此成为大多CPU设计的入门教材。下面以李亚明网站上的5级流水简略介绍一下。这5级分别为：IF(取指)，ID（译码)，EXE(执行)，MEM(读写内存)，WB(写回)五个阶段。

借用一下网站上的图片

图1

我们可以看到图上用绿色标出的5根“棒子”，这是各个阶段的分界线，当然不只是分界的作用，他们其实是5个锁存器，用于保存上个阶段的信息。在IF阶段，我们要做的事是从IF锁存器中取出PC（程序计数器）值，根据PC从Instmem（实际上是cache）取出指令，同时PC＋4，再将PC送到锁存器中。注意，PC在送到锁存器之前，会通过一个2路选择器，这个选择器决定到底是采用从ID阶段送过来的跳转指令的跳转地址还是采用在IF 阶段计算得出的下一条指令的跳转地址。

好了，IF阶段的过程大家应该比较清楚了，现在看一下复杂的ID阶段。密密麻麻的线啊，老天！！在具体介绍之前，还是要先提一下MIPS的三种指令，因为这个阶段需要对这三种指令分别译码，他们分别是：I-type，R-type，J-type。从李亚明的网站上偷点图片过来，有助于理解。

type instruction 即含有立即数的指令，R-type instruction 即含有目的寄存器rd 的指令，J-type instruction 即跳转指令。对比一下上面的图，聪明的你是否一下就洞破天机？呵呵，这里不再详细介绍，我们把译码阶段走一遍，相信各位应该会有一个清晰的认识。

我们先看一下稍微简单的R-type指令如何译码。比如拿这条指令add $1, $2, $3开刀，这条指令的意思是 $1 <- $2 + $3，$1表示1号寄存器，MIPS共有32个通用寄存器。嗯，我们首先按照上面的格式翻译成机器码：

因此rs放的是2号寄存器编号2，rt放的是3号寄存器的编号3，rd放的是1号寄存器的编号1，shamt是偏移量，这里我们没有用到，func是100000表示这是一条add指令，Opcode里放的是000000，表示这是R-type指令。好了，我们开始走一遍。首先rs和rt 的值被送到RegFile,根据里面保存的寄存器编号，可取到对应寄存器里的值，然后通过一个四路选择器送到锁存器里，这个四路选择器对应3种forwarding(0不是forwarding。如果不懂去看看资料，嘿嘿)。同时我们可以看到有func,op,rs,rt，RSRTEQU（返回两个数的对比结果，一般用在分枝指令）五个部分被输入到Control Unit中。Control Unit 通过op和func确定指令是什么指令，然后发出相应的控制信号，Control Unit确定了是add 指令，于是将WREG置1，M2REG置1，WMEM置1，ALUC置‘0000’（我们假设0000代表加法），SHIFT置0，ALUCIMM置0，SEXT置0（即不进行符号扩展），REGRT置0，FWDA和FWDB置0，JUMP默认值0。是不是不太明白各个控制信号具体的作用啊，好这里我们有先说说各个控制信号得作用。WREG（写寄存器），M2REG（从DateMem读数据到寄存器）,WMEM（向DateMem 写数据）,ALUC（通知运算器执行何种运算）,SHITF（选择路径，这里我们用不到，可省去）,ALUIMM（选择操作数为立即数）,SEXT(符号扩展)，REGRT(写的目标寄存器，这里置为0，表示EXE阶段算出来的值保存到rd对应的寄存器里)，FWDA和FWDB（选择做哪种Forwarding），JUMP（选择跳转的地址)。很明显有些控制信号要保存到IdToEXE锁存器中，留到下个阶段起作用。

很好，如果理解了R-type指令的译码过程那么I-type指令的译码过程就好理解了，无非是输入信号和输出的控制信号不同罢了。下面看具体的例子

这条指令被译成机器码，如上图所示，为什么rs，rt里面放的是18，17呢？原来MIPS 的寄存器有2种标识方法，一种是直接写编号，如$17,$18，一种是用它的别名，比如17号寄存器又叫$s1,18号寄存器又叫$s2。好了，我们走一遍。同样的，首先rs和rt的值被送到RegFile,根据里面保存的寄存器编号，可取到对应寄存器里的值，然后通过一个四路选择器送到锁存器里，注意这种指令没有rd，所以REGRT(写的目标寄存器)置为1，告诉下个阶段的EXE，运算完了的值保存到rt标识的寄存器里，同时imm（立即数）也被送到锁存器里保存起来，可以看到imm经过了一个SE做了符号位扩展（什么意思？还是老老实实看书吧^_^）。其它的通过Control Unit送出的信号与add指令类似，这里就不再重复了。