MIPS CPU

用 SpinalHDL 复刻 MIPS 五级流水线。

目录结构

• src/main/scala: 源代码目录
• src/test/scala: 仿真测试代码目录
• verilog: 生成的 Verilog 代码目录

流水线设计

经典 32 位 MIPS 五级流水线，跳转指令有延迟槽，在 D 级生效；乘除法器位于 E 级，用计数器模拟乘除延迟；访存在 M 级，寄存器回写在 W 级。 指令存储器 (IM) 和数据存储器 (DM) 位于 CPU 外部，CPU 自身通过顶层接口来取指令和读写存储器。

数据通路和指令分离，数据通路只包括指令计数器, 通用寄存器堆, 乘除法器等状态部件和流水线寄存器、转发阻塞单元。 其余所有的组合逻辑如 ALU，比较与跳转、访存地址生成和数据处理等均在指令类中定义，且由软件来生成。 （便于新增指令，但硬件资源消耗很大）

指令建模

一个指令一个类，包含：

• 指令编码
  • 识别码，M 类型 SpinalHDL 字面量，用于译码得到指令种类
• 转发暂停信息
  • 在哪一级用到寄存器数据
  • 在哪一级生成寄存器数据
• 在每个流水级的行为
  • 与流水寄存器中流水的数据接口交互
  • 每个指令在每个流水级相当于一个组合逻辑模块

然后用软件对每个指令在数据通路中生成相应的组合逻辑电路，并根据当前的指令种类以 MUX 选择指令结果。用 when 描述条件分支，利用多次 := 赋值取最后一次的特性，构建 MUX 电路。

当前 CPU 支持的指令集为 MIPS32 的如下子集（不含中断异常行为）：

add, sub, and, or, slt, sltu
addi, addiu, andi, ori, lui
lw, lh, lb, sw, sh, sb
beq, bne
j, jal, jr
mult, multu, div, divu, mfhi, mflo, mthi, mtlo

仿真测试

• 用 Scala 编写 "testbench" 并建模 IM 与 DM
• 调用 verilator/iverilog 或 vcs 作为后端运行仿真

运行

要生成 Verilog 代码，直接在终端执行以下命令（如果是首次运行，sbt 将联网自动下载依赖）：

sbt "runMain CPU"

生成的 Verilog 代码位于 verilog/CPU.v 。

要运行仿真，首先需要安装 Verilator/Icarus Verilog/Synopsys VCS 三种仿真工具之一，并准备好要让 CPU 执行的程序机器码文件 code.txt （每行为一条指令的十六进制机器码），而后在终端执行以下命令（以 Verilator 仿真工具为例，如使用后两种仿真工具，请将 verilator 替换为 iverilog 或 vcs）：

sbt "Test/runMain Sim verilator"

仿真过程会输出写寄存器和写内存的行为序列，输出到终端以及 output.txt 中。