搭载Android Wear热潮 MIPS处理器圈地可穿戴市场

搭载Android Wear热潮MIPS处理器圈地可穿戴市场

来源：新电子作者：苏宇庭

[导读] Imagination近期不仅成为Google Android Wear作业系统生态圈中，唯一的处理器IP供应商，更与北京君正等处理器业者，合作推出可穿戴设备参考设计平台，因而让MIPS 架构处理器顺利搭上Android Wear首波产品开发热潮。

关键词：可穿戴设备ImaginationMIPS

继x86、安谋国际（ARM）处理器架构之后，MIPS核心处理器近日也开始在可穿戴设备市场攻城掠地，且相关参考设计平台（Reference Design Platform）亦相继问世，为可穿戴设备开发商增添新的处理器架构选择。

事实上，在可穿戴设备市场萌芽之初，德州仪器（TI）、瑞芯微、新唐科技等处理器厂商已发布过相关硬体开发板，而在今年的消费性电子展（CES）中，飞思卡尔（Freescale）更进一步展出硬体支援更为完整的WaRP平台（Wearable Reference Platform），让任何对可穿戴设备有兴趣的开发者都能利用WaRP及相应的开放原始码（Open Source）软体来设计产品。

除飞思卡尔之外，英特尔（Intel）亦于CES展中针对可穿戴设备发布仅有一张SD记忆卡大小的超微型运算设备--Edison。也因此，截至目前，可穿戴市场处理器架构多半係ARM 与x86架构为主。不过，在日前Google针对可穿戴设备推出首款专用作业系统（OS）--Android Wear后，此一市场局面已然开始转变。

在Google首波公布的Android Wear生态系统名单中（图1），Imagination是唯一的IP供应商，因而让该公司旗下的MIPS处理器架构得以和Android Wear有更紧密的搭配，并抢得可穿戴市场有利发展位置，可望与ARM及x86架构处理器相互争锋。

图1 Android Wear生态圈资料来源：Imagination

据悉，Google希望Android Wear平台在2014年底前能正式商用，因此目前已推出部分开发工具与应用程式介面（API），并成立专属工作团队来推广Android Wear作业系统，协助Android Wear生态圈内的开发商能快速推出搭载此作业系统的可穿戴设备。

图2 Imagination行销执行副总裁Tony King-Smith表示，Imagination目前亦正积

极开发一系列的IP参考应用平台和设计方法。

Imagination行销执行副总裁Tony King-Smith（图2）表示，该公司已将中央处理器（CPU）核心--MIPS、绘图处理器（GPU）核心—PowerVR，以及无线电处理器（RPU）核心--Ensigma，皆列入未来原生支援Android Wear系统的产品开发蓝图中；而为加速可穿戴设备上市时程，也与芯片商积极合作推出基于MIPS核心的参考设计方案及各种硬体平台，以抢夺可穿戴设备市场先机。

Imagination携手芯片商抢食可穿戴大饼

King-Smith进一步指出，参考设计平台可以让开发商快速建立产品原型（Prototype）以及测试核心功能，预防产品在进入大量生产之前，遇到任何可能的潜在问题。尤其在如可穿戴设备等新兴市场，由于各家厂商都仍在适应及验证新型设计、标准和规范阶段，因此系统单芯片（SoC）供应商推出的参考设计平台，更可被视为开发商创造下一代产品前的重要途径。

现阶段，包括x86及ARM架构的参考设计平台皆大量问世，而做为IP供应商的Imagination也积极和北京君正合作，推出基于MIPS核心的 Newton参考设计平台；该平台大小为21.6毫米（mm）×38.4毫米，与英特尔SD卡大小的Edison相差无几。King-Smith 透露，未来Imagination还会携手其他的芯片商，共同推出针对可穿戴设备所开发的参考设计方案。

此外，Imagination目前亦正积极开发一系列的IP参考应用平台和设计方法，以协助客户快速切入蓬勃发展的可穿戴设备市场。King-Smith 强调，针对可穿戴设备所设计的SoC 方案未来将会大举出笼，业内人士会渐渐将一般行动设备与可穿戴设备的处理器设计分成两件事来思考（图3）。

图3 市场上已有半导体厂推出可穿戴设备专用处理器。图片来源：Ineda

事实上，新创公司Ineda日前即已推出全球首个针对可穿戴设备所开发的可穿戴处理器（Wearable Processing Unit， WPU）--Dhanush WPU（图4）。据悉，Dhanush WPU独有的分层运算架构（Hierarchical Computing Architecture）即係採用Imagination的MIPS、PowerVR等多重IP核心开发而成，可让可穿戴设备续航力维持叁十天。

专为可穿戴设备开发的硬体架构确实能协助芯片商快速切入市场，如北京君正即借力Newton平台在中国大陆可穿戴设备市场开疆拓土。据了解，处理器开发商北京君正，于今年4月初发布的Newton参考设计平台，已获得多家中国大陆智能手表制造商採用，为该公司在可穿戴市场发展，奠定良好基础。

借力Newton平台北京君正旗开得胜

图5 北京君正董事长刘强表示，北京君正推出的Newton平台已有多家客户陆续採用，

预计终端设备最快会在今年底前陆续问世。

北京君正董事长刘强（图5）表示，自2013年下半年开始，北京君正的中央处理器（CPU）方案已获得多家中国大陆智能手表开发商的青睐，目前该公司正积极与原始设计制造商（ODM）合作，期能进一步拓展至海外市场；而未来北京君正更将紧密配合Android Wear作业系统的发展，推出各种低功耗的系统单芯片SoC方案。

刘强进一步指出，由于参考设计平台能协助客户快速开发产品，因此由北京君正推出的Newton平台已有多家客户陆续採用，预计基于Newton开发的可穿戴设备最快会在2014年

底前陆续亮相。

虽然目前Newton平台内建的M150芯片能完全支援Android Wear系统，不过该芯片係锁定中低阶的智能手表、智能眼镜等可穿戴产品。刘强透露，2014下半年，北京君正将採

用40奈米制程生产双核心中高阶芯片方案--M200，并支援3D图像加速及图像讯号处理（ISP）等功能，进一步满足中高阶可穿戴产品的设计需求。

相较于其他的可穿戴设备参考设计平台，如英特尔的Edison及飞思卡尔的WaRP，刘强认为Newton的最大优势在于功耗极低，且该平台在感测器的支援上远比其他参考设计平台丰富（图6）。Newton同时支援叁轴陀螺仪、加速度计、磁力计；温度、湿度、压力感测器以及生物讯号侦测及处理（Bio- signal Detection and Processing），因此更加适合应用范畴日益广泛的健康健身类产品设计。

图6 Newton平台架构解析资料来源：Imagination

刘强指出，北京君正与Imagination正紧密合作让Android Wear系统在北京君正的芯片方案上能流畅地运行；不过，Android Wear毕竟尚属开发阶段，未来的应用前景及芯片

商要如何与其搭配仍属开放性问题，北京君正能做的就是和Imagination共同努力，确保Android Wear在可穿戴设备及物联网领域中拥有出色的表现。

据了解，目前第一批上市的Newton平台已经售罄，北京君正已快马加鞭进行第二批Newton平台的上市计画。

x86/ARM/MIPS争锋可穿戴软硬体加速演进

虽然Imagination在Android Wear生态圈成形之初已夺得先机，但King-Smith指出，Google创立的作业系统皆诉求透明化与标准化，无论是MIPS、ARM、x86架构的CPU核心，目前皆能原生支援Android系统，这是为了保障Android阵营的多样性和发展潜力；因此Android Wear的发展亦不例外，除了Imagination之外，未来将会有更多IP供应商加入Android Wear生态圈。

不过，做为Android Wear的初期合作伙伴，Imagination相较其他的IP厂商仍享有相对优势。King-Smith表示，目前Imagination与 Google的合作宗旨在于确保客户能第一时间掌握最新动态，期能透过Android Wear加上Imagination的软硬体方案，开发出最佳的产品原型，并加快产品上市时程。

根据ABI Research报告指出，目前市面上大多数可穿戴设备所使用的元件，仍係沿用智能手机与其他行动设备相同规格的芯片，因而导致功耗及物料成本过高，进而影响使用者体验。

ABI Research工程副总裁Jim Mielke表示，以现有的应用处理器为例，其对于可穿戴设备而言不仅体积过大，操作电流、成本等因素对于这类型的产品来说都是一种负担；分离式芯片方案在体积及成本考量上亦不利于可穿戴设备。这种设计的结果，将导致电池续航力缩短，以及不必要的成本，而最终将转嫁到消费者身上。

显而易见，在Android Wear问世及MIPS架构加入战局后，可穿戴设备处理器的架构将更趋多元，而相关产品应用也可望加速蓬勃，特别是在各种处理器厂竞相争逐下，可穿戴设备内部元件的规格将可日益精进，以带给用户更好的使用体验。

(完整版)类MIPS单周期处理器

一、实验目的 1.了解微处理器的基本结构。 2.掌握哈佛结构的计算机工作原理。 3.学会设计简单的微处理器。 4.了解软件控制硬件工作的基本原理。 二、实验任务 利用HDL语言，基于Xilinx FPGA nexys4实验平台，设计一个能够执行以下MIPS指令集的单周期类MIPS处理器，要求完成所有支持指令的功能仿真，验证指令执行的正确性，要求编写汇编程序将本人学号的ASCII码存入RAM的连续内存区域。 （1）支持基本的算术逻辑运算如add，sub，and，or，slt，andi指令 （2）支持基本的内存操作如lw，sw指令 （3）支持基本的程序控制如beq，j指令 三、实验过程 1、建立工程 在ISE 14.7软件中建立名为Lab1 的工程文件。芯片系列选择Artix7,具体芯片型号选择XC7A100T,封装类型选择CSG324,速度信息选择-1。

2、分模块设计 1)指令存储器ROM设计 新建IP core Generator，命名为irom。设定的指令存储器大小为128字，指令存储器模块在顶层模块中被调用。输入为指令指针（PC）与时钟信号（clkin），输出为32位的机器指令，并将输出的机器指令送到后续的寄存器组模块、控制器模块、立即数符号扩展模块进行相应的处理。 然后制作COE文件。先使用UltraEdit编辑代码，代码如下 main: addi $2,$0,85 sw $2,0($3) addi $2,$0,50 sw $2,4($3) addi $2,$0,48 sw $2,8($3) addi $2,$0,49 sw $2,12($3) addi $2,$0,53 # sw $2,16($3) addi $2,$0,49 # sw $2,20($3) addi $2,$0,51 # sw $2,24($3) addi $2,$0,52 # sw $2,28($3) addi $2,$0,54 # sw $2,32($3) addi $2,$0,52 # sw $2,36($3) j main

单周期CPU实验报告

MIPS-CPU设计实验报告

实验名称：32位单周期MIPS-CPU设计 姓名学号：刘高斯11072205 实验日期：2014年12月19日 目录 前言 MIPS简介------------------------------------------------------------- 3 实验目的------------------------------------------------------------- 3 第一部分VERILOG HDL 语言实现部分 实验内容------------------------------------------------------------- 4 试验环境------------------------------------------------------------- 4 模块简介------------------------------------------------------------- 4 实验截图------------------------------------------------------------- 5 实验感想------------------------------------------------------------- 5 实验代码------------------------------------------------------------- 6 第二部分LOGISIM 语言实现部分 实验内容------------------------------------------------------------- 16 实验环境------------------------------------------------------------- 16

MIPS单周期CPU设计2018版体会

11条MIPS指令单周期CPU设计 2018元月份，我按照袁春风老师的第三版教材，又重新设计了11条MIPS 指令的单周期CPU。这次的设计与我2017年7月份的单周期CPU还是有些区别。2017年7月份设计的CPU主要是参考《计算机组成与设计-硬件/软件接口David A.Patterson》。 设计中的几点体会如下： 一．基本流程 1.首先要分析清楚这11条指令的格式和特点。按照MIPS指令的格式和特 点，完全掌握它们的功能和执行的过程。 2.这些指令执行过程中需要哪些硬件部件和控制信号，这些部件如何连接 构成数据通路。 3.对所有需要的控制信号进行归纳分析，列出真值表，设计相应的控制电 路。 二．具体设计过程 1.ALU的设计。ALU的设计重点在于先设计出32位的加法器，减法运算是利用 加法的“变反加一”。同时要产生各种运算结果的信号：溢出（OF）、进位（CF）、符号位（SF）、零符号位（Zero）。OF=C n⊕C n-1；CF=C out⊕C in。至于需要其它的运算指令，如逻辑运算、移位运算、乘除法运算，都可以直接调用logisim库中的器件，添加到ALU中，这些运算的结果可以同时产生，只是最后用多路选择器来选择那种指令的结果输出，用的控制信号是OPctr。在ALU中需要设计一个控制信号生成部件，用于产生ALU内部需要的各种控制信号。见袁春风老师教材P155。（第一次实验：ALU部件的设计）（ALU设计中，现在的加法器只是串行的，可以让好的学生用先行进位加法器）

图1：ALU电路图 2.设计寄存器部件。设计一个32个*32位的寄存器部件。两路输入和两路输出， 可读写。（第二次实验：寄存器部件的设计） 图2：寄存器电路图 3.数据通路的设计。通路的设计不能急于求成，要一条指令一条指令来分析和 设计。首先设计R-type中的add、sub、subu、slt、sltu等的通路。要注意是否要判断溢出。在此基础上，再分析I-type带立即数运算指令的数据通路，分析出需要添加哪些部件。再分析sw、lw指令的数据通路，分支指

MIPS单周期CPU实验报告

《计算机组成原理实验》 实验报告 （实验二） 学院名称： 专业（班级）： 学生姓名： 学号： 时间：2017 年11 月25 日

成绩: 实验二：单周期CPU设计与实现 一.实验目的 (1) 掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法； (2) 掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法； (3) 认识和掌握指令与CPU的关系； (4) 掌握测试单周期CPU的方法； (5) 掌握单周期CPU的实现方法。 二.实验内容 设计一个单周期的MIPSCPU，使其能实现下列指令： ==> 算术运算指令 ==> 逻辑运算指令 功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。 ==>移位指令 ==>比较指令

==> 存储器读/写指令 将rt寄存器的内容保存到rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中。 即读取rs寄存器内容和立即数符号扩展后的数相加作为地址的内存单元中的数，然后保存到rt寄存器中。 ==> 分支指令 功能：if(rs=rt) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4 特别说明：immediate是从PC+4地址开始和转移到的指令之间指令条数。immediate 符号扩展之后左移2位再相加。为什么要左移2位？由于跳转到的指令地址肯定是4的倍数（每条指令占4个字节），最低两位是“00”，因此将immediate放进指令码中的时候，是右移了2位的，也就是以上说的“指令之间指令条数”。 12 特别说明：与beq不同点是，不等时转移，相等时顺序执行。 功能：if(rs>0) pc←pc + 4 + (sign-extend)immediate <<2 else pc ←pc + 4 ==>跳转指令 ==> 停机指令

计算机组成原理实验报告单周期cpu的设计与实现

1个时钟周期 Clock 电子科技大学计算机科学与工程学院 标 准 实 验 报 告 （实验）课程名称： 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表 电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 郫县尼克杨 学 号： 2014 指导教师：陈虹 实验地点： 主楼A2-411 实验时间：12周-15周 一、 实验室名称： 主楼A2-411 二、 实验项目名称： 单周期CPU 的设计与实现。 三、 实验学时： 8学时 四、 实验原理： （一） 概述 单周期（Single Cycle ）CPU 是指CPU 从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟

周期。 一条指令的执行过程包括：取指令→分析指令→取操作数→执行指令→保存结果。对于单周期CPU 来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。 （二） 单周期cpu 总体电路 本实验所设计的单周期CPU 的总体电路结构如下。 （三） MIPS 指令格式化 MIPS 指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。本实验的MIPS 指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS 指令均指MIPS-32。 MIPS 的指令格式为32位。下图给出MIPS 指令的3种格式。 本实验只选取了9条典型的MIPS 指令来描述CPU 逻辑电路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS 指令。 五、 实验目的 1、掌握单周期CPU 的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、26 31 221 216 15 11 1 6 5 0 op rs rt rd sa func R 型指令 26 31 221 216 15 0 op rs rt immediate I 型指令 26 31 20 op address J 型指令

单周期CPU设计

信息科学与工程学院 课程设计报告 课程名称：计算机组成原理与结构题目：单周期CPU逻辑设计年级/专业：XXXXXXXXXXXXXXX X 学生姓名：王侠侠、李怀民 学号：XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导老师：XXXX 开始时间：2016年9月15日 结束时间：2016年11月15日

摘要 一、设计目的与目标 1.1 设计目的 1.2 设计目标 二、课程设计器材 2.1 硬件平台 2.2 软件平台 三、CPU逻辑设计总体方案 3.1 指令模块 3.2 部件模块 四、模块详细设计 4.1 指令设计模块 4.2 部件设计模块 五、实验数据 5.1 初始数据 5.2 指令数据 六、结论和体会 七、参考文献

本CPU设计实验以Quartus II 9.0为软件设计平台，以Cyclone 采III型号EP3C16F484C6为FPGA实测板。此CPU设计采用模块化设计方案，首先设计指令格式模块，此模块决定CPU各个部件的接口数据容量及数量，再对CPU各个部件独立设计实现，主要涉及的部件有：寄存器组、控制器、存储器、PC计数器、数据选择器、ALU单元以及扩展单元。分部件的设计通过软件平台模拟仿真各部件的功能，在确保各部件功能正确的情况下，将所有部件模块整合在一起实现16位指令的CPU功能。再按照指令格式设计的要求，设计出一套能完整运行的指令，加载到指令存储器中，最终通过在FPGA实测板上实现了加2减1的循环运算效果，若要实现其他效果，也可更改指令存储器或数据存储器的数据而不需要对内部部件进行更改元件。 关键词：CPU设计、16位指令格式、模块化设计、Quartus软件、CPU各部件

应用于MIPS内核的OCTEON家族处理器介绍

应用于MIPS内核的OCTEON家族处理器介绍 由技术编辑archive1 于星期五, 2014-07-04 11:24 发表 放眼现今的网络、安全、无线及存储应用系统，对于最高性能及最低功耗的优质处理器需求持续升高。Cavium Netowrks公司的OCTEON家族处理器经过高度优化，相当适合control-plane、data-plane应用或两者的混合，以优异性能提供网络、安全、无线及存储等应用最佳的选择。OCTEON和OCTEON Plus处理器已被大多数的网通OEM厂所使用，凭借低成本以及低功耗等优势带来市场最领先的性能。 OCTEON处理器介绍 OCTEON系列产品包括了三代且软件完全兼容、高度集成的多内核处理器：OCTEON? (CN3XXX)、OCTEON? Plus (CN5XXX)及OCTEON II (CN6XXX)。这些处理器在优化之下提供了高性能、高带宽以及低功耗。OCTEON处理器可应用于control-plan、data-plan 或是两者的混合。OCTEON处理器提供了最佳的解决方案，包含智能网络、无线和100Mbps 到40Gbps的存储应用。OCTEON全系列产品都共享相同的架构，使得全系列处理器软件都能兼容。OCTEON处理器的区别基于下列几项： ●cnMIPS?的内核数目 ●内核频率及internal interconnect ●I/O接口的种类和数目

●硬件加速器的种类和数目 ●高速缓存的容量以及结合性 每个OCTEON产品都提供一组功能组(feature set)，让应用目标能有最好的功能和性能。编写好的软件可应用在不同的型号，只要它们有相同的功能(feature)。 OCTEON系列处理器特色 OCTEON系列处理器的特色如下所示： ●Custom-designed dual issue MIPS64 release 2cores，伴随着Cavium Netowrks创新的指令以提高性能 ●1到32内核的处理器提供最广泛的性能、功耗以及价格的选择性，同时提供全面的软件兼容性 ●内置的硬件加速器大幅提升应用上的性能、负载平衡以及同步处理 ●有着DMA引擎的高速内部连结，优化了OCTEON处理器的数据流量 ●集成的I/O接口和内存控制器能减少BOM成本及缩小产品的设计 ●简明的软件架构基于标准的C/C++编码，GNU toolchains，业界标准的操作系统，及optimized software stacks因为有了硬件加速器、灵活的软件架构、标准的MIPS64、toolchains、Packet-linked locks、scaling support和操作系统，使得软件开发的复杂性缩至最小 OCTEON处理器的优点 ●内置了硬件加速器 ●每个内核专属的加解密处理器 ●芯片上各单元的内部连结 ●Cavium Networks特有的专属指令集 ●阶梯式的高速缓存 OCTEON系列产品目标应用 OCTEON处理器被使用在各式各样的OEM设备。例如： ●路由器 ●交换器 ●集成式管理器 ●内容感知交换器 ●应用感知网关器 ●三合一宽带网关器

(完整版)MIPS处理器设计说明说课讲解

(完整版)M I P S处理器 设计说明

西安邮电大学 实践课程报告书 课程名称：计算机组成与实践 院（系）名 ：电子工程学院 称 专业班级：** 学号/姓名：** 实习时间：2015年3月6日至2015年6月19日

1 课程主要目的 本课程是在上学期《计算机组成与设计》课程学习的基础上，通过实践课的方式，依照集成电路设计流程，完成一个简单独立硬件功能电路模块的设计，从而到达对《计算机组成与设计》课程的深入理解和提高电路设计的实践能力，从理论和实验的结合中巩固计算机基本知识，熟练掌握电路设计的基本流程和原理，同时，加深对MIPS系统的组成部件及其电路结构，原理和功能的理解，掌握利用硬件描述语言和EDA工具进行MIPS设计的一般方法。 2 课程的主要内容和任务 MIPS是典型的32位定长指令字RISC处理器，要求深入理解MIPS处理器的内部结构及工作原理。采用verilogHDL设计一个兼容MIPS指令格式，具有10条以上指令功能的单周期CPU硬件电路，该32位MIPS设计内容主要包括系统中的基本组成部件（存储器，指令寄存器，寄存器堆，算术逻辑运算器，程序计数器，多路选择器，符号扩展等）的设计，仿真及硬件下载的方法和过程。设计过程中使用ISE仿真工具完成设计电路的仿真验证。 3总体设计方案 3.1指令及其功能表： （1）R型指令：

（2）I型指令： （3）J型指令： 3.2总体结构设计： 该MIPS主要由8个模块组成，各个子模块分别设计其特定的功能，最终利用一个总的模块进行子模块间连接，使得整个CPU能连贯执行指令，在仿真结果中观察设计结果，最终进行硬件下载，验证设计。其中各个模块简单功能如下： （1）存储器模块：具备基本的读写功能，用于存放数据和指令。 （2）寄存器堆模块：由32个32位的寄存器组成，提供较大的存储空间，用于存放暂存数据和指令。

32位MIPS处理器设计实验报告

数字逻辑与处理器基础实验 32位MIPS处理器设计实验报告 王晗 (2013011076) July26,2015 Date Performed:July15,2015 Partners:耿天毅(2012011119) 陈志杰withdrawn 1实验目的 熟悉现代处理器的基本工作原理；掌握单周期和流水线处理器的设计方法。 2设计方案 2.1总体结构 由于这次实验涉及的功能较多，我们将完整的CPU分成多个模块。指令存储器、寄存器堆、控制器、ALU控制器、ALU、数据存储器、UART等功能单元均在单独的Module中实现。其中指令存储器、寄存器堆、控制器、ALU控制器、ALU等单元在Single Cycle Core中实例化，作为单周期处理器的核心；数据存储器、UART和定时器、LED、七段数码管、开关在Peripheral中实现，作为处理器的外设。处理器核心和外设在顶层模块中实例化，互相通信。 单周期CPU模块的结构关系如Figure1所示：

Figure1:单周期处理器结构 对于流水线CPU，我们还在Pipeline Core中加入了流水线寄存器、冒险检测单元、数据转发单元： Figure2:流水线处理器结构

2.2ALU1 ALU模块的结构如图所示，输入两个操作数A、B和控制信号ALUFun、Signed，在ARITH子模块中做加减法运算，CMP子模块根据ARITH模块的输出进行比较判断，LOGIC和SHIFT模块分别进行逻辑运算和移位运算，ALUFun的最高两位用于控制多路选择器的输出。 Figure3:ALU结构 ARITH模块ARITH模块中包括减法和加法两个模块，加法模块直接通过+号运算，减法模块先对第二个操作数取补码，再调用加法模块做加法运算。Overflow和Negative信号的产生是ALU中的难点： Figure4:ADD中的Overflow和Negative 1原作者：陈志杰；修改：王晗

单周期处理器

实验八单周期处理器的实现 实验目的： 进一步理解数据通路、控制通路等基本概念 掌握处理器中控制器的基本设计方法 进一步理解单周期处理器以及多周期处理器的工作原理和设计思路实验要求： 设计和实现一个单周期处理器（60%） 可执行至少7条MIPS指令，add、sub、ori、lw、sw、beq、j 编写测试程序的二进制代码，测试实现的电路 撰写实验报告，dead line：5.19 设计和实现一个多周期处理器（40%） Dead line：6.6 。 实验报告： （1）实验过程 1 控制器的设计与实现 控制器的功能 根据当前指令，生成处理器内部各部件所需要的控制信号 控制器的输入输出

输入：op[5:0]，func[5:0] 输出：RegDst，ALUSrc，MemtoReg，RegWrite，MemWrite，Branch，Jump，ExtOp，ALUctr[2:0] 图表1 主控的设计 图表2 ALUCTR的设计

图表3 控制器的封装 2 ALU的设计与实现 ALU的功能 根据控制信号ALUctr[2:0]，将输入端口的两个32位的数据进行加、减、与、或操作，并判断结果是否为0 ALU的输入输出 输入：A[31:0]，B[31:0]，ALUctr[2:0] 输出：OUT[31:0]，Zero ALU的实现 将运算器实验中实现的加减法扩展为32位

增加32位与、或功能 增加结果判零电路 根据ALUctr[2:0]信号确定ALU的输出 图表4 加法器的设计与封装 （由于上一个实验已做成ALU，这里不再赘述加法器的制作） 根据ADD/SUB信号判断实现加法或是减法，并且设置Zero 项输出，用作Beq指令的判定依据

32位MIPS处理器说明

32位MIPS处理器说明

一、实验目的 熟悉现代处理器的基本工作原理；掌握单周期和流水线处理器的设计方法。 二、实验原理及实验内容 该32位MIPS处理器主要需要设计ALU、单周期、流水线。下面分别讲述这三个部分的设计原理及实验内容。 1.ALU ALU即算数逻辑单元，要求设计一个32位的ALU，实现基本的算术、逻辑、关系、位与移位运算。输入32bit的A和B作为操作数，5bit的控制输入ALUFun和一位控制输入Sign，输出32bit的结果Z。其功能表如下图所示：

根据功能表和要求，我们在顶层模块中设计了32bit输入ALUSrc1和ALUSrc2,以及5bit控制ALUFunc，1bit控制Sign，32bit输出ALUOut。设计了四个主要模块：ALU_ADD_SUB，ALU_CMP，ALU_Logic，ALU_Shift，并根据ALUFunc的值来确定使用的模块。设计框图思路如下： （1）ALU_ADD_SUB 这部分是ALU设计中最重要的一部分。采用了8位超前进位级联，用与门来实现32位全加器。减法由加法实现，在运算的开始由ALUFunc判断进行的是加法还是减法，如果是加法则直接将两个操作数输入全加器，最低进位为0，如果是减法则取ALUSrc2的反码之后再做加法运算，最低进位是1。 需要注意的是运算结束之后需要判断结果是否为0（这个在branch指令中尤为重要），是否为负数，还有是否溢出。是否为溢出还需要检查控制符号，如果控制符号为有效（即有符号计算）则两正数相加得负或两负数相加得正则溢出，溢出则结果符号位反了，再进而判断是否为负。若为无符号运算，加法结

《单周期CPU设计》实验报告

《计算机组成原理与接口技术实验》 实验报告 学院名称： 学生姓名： 学号： 专业（班级）： 合作者：

时间：2016年4月25日 成绩: 实验二： 一.实验目的 1.掌握单周期CPU数据通路图的构成、原理及其设计方法； 2.掌握单周期CPU的实现方法，代码实现方法； 3.认识和掌握指令与CPU的关系； 4.掌握测试单周期CPU的方法。 二.实验内容 设计一个单周期CPU，该CPU至少能实现以下指令功能操作。需设计的指令与格式如下： ==> 算术运算指令 （1）add rd , rs, rt（说明：以助记符表示，是汇编指令；以代码表示，是机器指令）

功能：rd←rs + rt。reserved为预留部分，即未用，一般填“0”。 （2）addi rt , rs ,immediate 功能：rt←rs + (sign-extend)immediate；immediate符号扩展再参加“加”运算。 （3）sub rd , rs , rt 完成功能：rd←rs - rt ==> 逻辑运算指令 （4）ori rt , rs ,immediate

功能：rt←rs | (zero-extend)immediate；immediate做“0”扩展再参加“或”运算。 （5）and rd , rs , rt 功能：rd←rs & rt；逻辑与运算。 （6）or rd , rs , rt 功能：rd←rs | rt；逻辑或运算。 ==> 传送指令 （7）move rd , rs 功能：rd←rs + $0 ；$0=$zero=0。 ==> 存储器读/写指令 （8）sw rt ,immediate(rs) 写存储器

单周期CPU设计参考

单周期CPU及其Verilog HDL设计 一、指令的设计 MIPS32的指令的三种格式的参考： R类型： I类型： J类型: R类型指令的op为0，具体操作由func指定。rs和rt是源寄存器号，rd是目的寄存器号。只有移位指令使用sa来指定移位位数。I类型指令的低16位是立即数，计算时要把它扩展到32位。依指令的不同，有零扩展和符号扩展两种。J类型指令右边26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。具体的指令格式和内容请参考MIPS32。 设计报告中需自行设计所有指令的二进制格式和对应的汇编指令格式。 二、单周期CPU的设计 我们把时钟的电平从低到高变化的瞬间称为时钟上升沿，两个相邻时钟上升沿之间的时间间隔称为一个时钟周期。单周期CPU指的是一条指令的执行在一个这样的时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个周期。 2.1执行一条指令所需的硬件电路 我们的目的地是要设计CPU的硬件电路，使其能够从存储器中读出一条条指令并执行指令所描述的操作。从存储器中读取指令的动作一般与指令本身的意义无关，可以以同样的方法把指令从存储器中取出。而执行指令则与指令本身的意义密切相关，因此最重要是首先搞清楚CPU要执行的每条指令的意义。下面以两种类型的电路来举例。 2.1.1与取指令有关的电路

指令存储在存储器中。CPU取指令时把程序计数器（PC）中的内容作为存储器的地址，根据它来访问存储器，从PC值指定的存储单元中取来一条32位指令。如果取来的指令执行时没有引起转移，PC的值要加4；如果转移，要把转移的目标地址写入PC，以便在下一个时钟周期取出下一条指令。 图2.1 取指令时用到的硬件电路和指令寄存器 如图2.1所示，PC是一个简单的32位寄存器，由32个D触发器构成。指令存储器（Inst Mem）的输入端a是地址、输出端do是数据输出，即指令。图中的加法器专供PC+4使用，它的输出接到多路器的一个输入端。如果取来的指令没有引起转移或跳转，则选择PC+4，在时钟上升沿处将其打入PC；若引起转移或跳转，则用多路器选择下一条指令该打入的PC值。 2.1.2寄存器计算类型指令执行时所需电路 寄存器类型的指令有add等。如图2.2所示是执行它们所需的部分硬件电路。大多数MIPS指令属于三操作数指令。指令格式中的rs和rt是两个5位的寄存器号，由它们从寄存器堆（Regfile）中读出两个32位的数据。由于寄存器号有5位，所以能从32个寄存器中选出一个。32个寄存器合在一起称为寄存器堆（Register File）。从寄存器堆读出的两个32位数据分别被送到ALU的a和b的输入端。 图2.2 执行寄存器计算类型指令所需电路 具体的计算由ALU完成。ALU的计算控制码aluc由控制部件（Control Unit）产生。这里的控制部件是简单的组合电路，输入信号是指令的操作码op和功能码func，输出信号3个，它们分别是ALU的操作码aluc、计算结果是否写入寄存器堆的控制信号wreg和下一条指令的地址选择信号pcsource。ALU的计算结

单周期CPU设计

短学期综合实验报告 实验名称：单周期CPU设计 院系：信息科学与工程学院 专业：计算机科学与技术 组员：XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX 指导老师：XXXXXXX 二〇一一年七月八日

摘要 中央处理器（CPU）是计算机取指令和执行指令的部件，它是由算术逻辑单元（ALU）、寄存器和控制器组成，简称处理器（或CPU），CPU是计算机系统的核心部件，在各类信息终端中得到了广泛的应用。处理器的设计及制造技术也是计算机技术的核心之一。 CPU设计的第一步应当根据指令系统来建立数据路径，再定义各个部件的控制信号，确定时钟周期，完成控制器的设计。然后建立数据路径，进而可以进行数字设计、电路设计，最后完成物理实现。而在本次试验中，我们研究的重点是数据路径的建立和控制器的实现。 一个机器的性能由三个关键因素决定：指令数、时钟周期，以及执行每条指令所需的时钟周期数（CPI）。然而不论是时钟周期，还是每条指令所需的时钟周期数目，都是由处理器的实现情况决定的。在本次试验中，我们构造了单周期的数据路径和组合逻辑实现的控制器。 本次试验中，我们运用Quartus II 8.0软件设计出了一个拥有6条指令的单周期CPU，并对它进行了简单的测试，最终完成了一个正确的单周期CPU的设计。 关键词：数据路径，控制器，控制信号，单周期

Abstract Central processing unit (CPU) is a computer instruction fetch and execution of components, it is an arithmetic logic unit (ALU), registers and a controller, referred to as the processor (or CPU), CPU is the core component of computer systems in all type information terminal has been widely used. Processor design and manufacturing technology is one of the core computer technology. The first step should be based on CPU design instruction to create a data path, and then define the various components of the control signals to determine the clock cycle, the controller design. Then set up a data path, and then can be digital design, circuit design, physical implementation finalized. In this experiment, the focus of our research is to establish the data path and controller implementation. The performance of a machine consists of three key factors: the number of instructions, clock cycles to execute each instruction as well as the required number of clock cycles (CPI). Whether it be a clock cycle, each instruction or the number of clock cycles required are determined by the achievement of the processor. In this study, we constructed single-cycle data path and the combinational logic to achieve the controller. This experiment, we use Quartus II 8.0 software to design a single-cycle instruction with 6 CPU, and it conducted a simple test, the

CPU实验——单周期MIPS处理器设计

单周期MIPS处理器设计 实验报告 完成人：笪腾飞2012011263 、实验目的 1、设计一个32位的单周期MIPS处理器，具备定时器、数码管等外设; 2、编写一个编译器，可以将mips代码编译为二进制机器码； 3、编写一个计算两个整数的最大公约数的汇编程序。 二、设计方案 根据理论课所学的单周期MIPS处理器数据通路的知识，结合本次试验的具体要求，最终设计方案如下： 1、系统时钟 为了综合后能够在开发板上正确运行程序，我们决定采取50MHz的CPU时 钟，因此编写了一个时钟分频模块，对开发板提供的100MHz时钟进行二分频， 从而得到50MHz时钟。 2、PC产生模块 原理图如下: ILLDM 曲XXXXXM 咻2￡Shu mt 如上图左半部分所示，多路选择器由一个always语句中的if…else if ??语lse 句实现。其中，将ALU中的加减法部分提取出来实现一个加法器，用于产生PC+4 和ConBA两个PC来源。将I型指令中的16位立即数左移两位后再符号位扩展成32位地址，与PC+4相加得到分支地址ConBA PCH -------------- + CanB* （口汕虛i 1Brw*ch A[ Shilt 鼻曲M MnmlS ILILDP MUQuitQl ■0 匚onErol ]■——Pt3?|3dO| ■ ----- ALU￡?：1 A LL}5K2ALLH uo S MemWr MepiRd MemTaRE2[l.:Oj EMTOp ------ LJOp

将跳转指令中的26位目标地址左移两位后，与当前PC的高四位拼接得到跳转地址JT。将第一个操作数寄存器中的值取出作为PC的一个输入，这是为了实 现jr和jalr指令，从$Xp和$Ra寄存器中读取跳转地址。ILLOP和XADR分别是发生中断和异常时的跳转地址。下一指令地址的选择由PCSrc决定，而PCSrc是译 码后由控制信号模块根据每条指令的操作码(opcode)和函数码(funct)产生。 3、译码模块 原理图如上图右半部分所示，将PC作为ROM模块的地址输入，输出即为PC所对应的指令。分别取出指令中的某些片段，得到$Rs,$Rt,$Rd,shamt,f unet，16位立即数和26位跳转地址。 4、控制模块 控制模块即控制信号产生模块，六位操作码OpCode,六位函数码[5:0] Funct, 定时器中断信号irq和PC最高位PC31作为输入，输出为以下控制信号： (I) R型指令指示信号IsR,值为1表示当前指令为R型指令，否则非R型指令； ⑵PC产生的选择信号[2:0] PCSrc取值0,123,4及其它，分别选择下一指令不同的PC; (3) 目的寄存器选择信号[1:0]RegDst,被写入的寄存器有四种选择：$Rd,$Rt,$Ra,$Xp 分别由RegDst不同取值完成选择； (4) 写寄存器使能信号RegWr,值为1表示允许对寄存器进行写操作； (5) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1值为1表示选择将移位量shamt进行0扩展后作为输入，值为0表示将$Rs寄存器中的值作为输入； (6) ALU第一个操作数选择信号ALUSrc1值为1表示选择将扩展后的32位立即数作为输入，值为0表示将$Rt寄存器中的值作为输入； (7) ALU运算控制信号[5:0] ALUFunc作为ALU的输入选择不同的运算操作； (8) 有无符号数指示信号Sign,值为1表示有符号数，值为0表示无符号数； (9) 写存储器使能信号MemWr，值为1表示允许对存储器进行写操作； (10) 读存储器使能信号MemRd，值为1表示允许对存储器进行读操作； (II) 写寄存器值的选择信号[1:0] MemToReg选择ALU结果，存储器读取结果和PC+4其中之一作为写入目的寄存器的值； (12) 符号位扩展指示信号EXTOp值为1表示对16位立即数进行符号位扩展，值为0表示0扩展； (13) 立即数高位取指令指示信号LUOp,值为1表示当前指令为lui指令，选择将立即数载入高16位低位填0的32位立即数作为ALU输入，值为0表示将正常扩展后的32位立即数作为ALU输入； 控制信号的具体产生过程此处略去，在控制信号说明文件中进行详述。 下图为数据通路的总体原理图:

华中科技大学HUST类MIPS单周期微处理器设计实验报告

类MIPS单周期微处理器设计 实验报告 专业： 班级： 学号： 姓名：

一、微处理器各模块设计 各模块的框图结构如上图所示。由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。 1.指令存储器的设计 指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。 （1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。 （2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。 （3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。最后单击Generate按钮生成IROM模块。

2.数据存储器的设计 数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。 数据存储器基本建立过程同ROM的建立。 3.寄存器组设计 寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能写入，因此该模块的输入为clk、RegWriteAddr、RegWriteData、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr、reset；输出信号为RsData、RtData。 由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData 必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。并且每次复位时所有寄存器都清零。 代码如下： module regFile( input clk, input reset, input [31:0] regWriteData, input [4:0] regWriteAddr, input regWriteEn, output [31:0] RsData, output [31:0] RtData, input [4:0] RsAddr, input [4:0] RtAddr

(完整版)MIPS处理器设计说明

西安邮电大学 实践课程报告书 课程名称：计算机组成与实践 院（系）名称：电子工程学院 专业班级：** 学号/姓名：** 实习时间：2015年3月6日至2015年6月19日

1 课程主要目的 本课程是在上学期《计算机组成与设计》课程学习的基础上，通过实践课的方式，依照集成电路设计流程，完成一个简单独立硬件功能电路模块的设计，从而到达对《计算机组成与设计》课程的深入理解和提高电路设计的实践能力，从理论和实验的结合中巩固计算机基本知识，熟练掌握电路设计的基本流程和原理，同时，加深对MIPS系统的组成部件及其电路结构，原理和功能的理解，掌握利用硬件描述语言和EDA工具进行MIPS设计的一般方法。 2 课程的主要内容和任务 MIPS是典型的32位定长指令字RISC处理器，要求深入理解MIPS处理器的内部结构及工作原理。采用verilogHDL设计一个兼容MIPS指令格式，具有10条以上指令功能的单周期CPU硬件电路，该32位MIPS设计内容主要包括系统中的基本组成部件（存储器，指令寄存器，寄存器堆，算术逻辑运算器，程序计数器，多路选择器，符号扩展等）的设计，仿真及硬件下载的方法和过程。设计过程中使用ISE仿真工具完成设计电路的仿真验证。3总体设计方案 3.1指令及其功能表： （1）R型指令： （2）I型指令：

（3）J型指令： 3.2总体结构设计： 该MIPS主要由8个模块组成，各个子模块分别设计其特定的功能，最终利用一个总的模块进行子模块间连接，使得整个CPU能连贯执行指令，在仿真结果中观察设计结果，最终进行硬件下载，验证设计。其中各个模块简单功能如下： （1）存储器模块：具备基本的读写功能，用于存放数据和指令。 （2）寄存器堆模块：由32个32位的寄存器组成，提供较大的存储空间，用于存放暂存数据和指令。 （3）算术逻辑运算器模块：执行加减法等算术运算，与非或等逻辑运算，以及比较移位传送等操作的功能部件，是该CPU的设计核心部分，存在不同的运算处理功能，是体现实验设计结果正确性的模块。 （4）立即数扩展模块：执行I型指令时需要立即数扩展，该模块用于MIPS符号扩展，将16位数据扩展为32位数据。 （5）主控制模块：用于控制各个模块之间的分工运行，产生不同数据通路的控制信号，保证指令顺序执行不发生紊乱。 （6）ALU控制模块：用于生成ALU执行各种功能的控制信号，使ALU内部运行不发生紊乱。。 （7）分支跳转指令控制模块：用于生成分支和跳转指令的控制信号。 （8）取指模块：进行指令的取出及译码，同时包括程序计数器PC运行设计。 各模块间关系如下：

MIPS -- 适用于MCU的处理器

MIPS -- 适用于MCU的处理器 MIPS科技是知名的致力于开发和授权高性能处理器内核以及32位和64位架构的公司。作为数字家庭和网络领域中的市场领先者，MIPS架构亦已在32位微控制器（MCU）领域大量应用，与基于ARM架构的内核产品相比，可提供性能更高、功能更丰富且功耗更低的解决方案。 MCU广泛应用于各种市场应用，包括以工业、自动化、汽车、消费电子以及以无线通信为代表的前沿技术。在这些类型的应用中，MCU的运用使得对嵌入式处理器内核的需求不断增长，同时要求嵌入式处理器内核提供更高效的性能、更快的实时响应、更低的功耗以及广泛的生态系统支持。这些需求来源于各种新挑战，包括需要运行更复杂的RTOS控制软件，以及集成更高速的通信接口与更复杂的接口。 32位MCU正逐步为下一代应用提供解决方案。Semico Research Corp.预测32位MCU 产品出货量的年复合增长率（compound annual growth rate，CAGR）在未来几年为18%，在2014年出货量将达到25.73亿件。 选择正确的处理器架构是使MCU产品达到性能、成本和上市时间目标的关键决策条件。本文将对MIPS?处理器内核中实现的设计功能进行介绍，这些功能对其达到业界领先的性能起到了关键作用。此外，我们将对基于MIPS和ARM架构（两种最流行的嵌入式处理器架构）的MCU设计解决方案进行比较。我们的分析将会证明，MIPS提供的解决方案性能更高、功耗更低且具有更先进的功能和卓越的开发支持。 1.MIPS架构 MIPS架构于20世纪80年代早期在斯坦福大学诞生，是基于简洁的加载/存储RISC（精简指令集计算）技术的架构。RISC技术实现了简单但全面的指令集，并使用深度指令流水线，与以前的CISC（复杂指令集计算）架构相比，可获得更快的执行速度和更高的性能。相比较而言，ARM架构基于混合的RISC/CISC架构，其设计复杂，且实现高级别性能的能力有限。 自1985年第一块MIPS处理器（R2000）问世以来，MIPS架构始终在不断地完善。指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）在经过几次修订后得到扩展，其性能也相应提高。目前版本包括32位和64位的MIPS32ò和MIPS64ò架构。除了基于MIPS32开发一系列32位处理器内核之外，MIPS还对MIPS32和MIPS64架构进行授权。这些架构的授权用户包括Broadcom、Cavium Networks、LSI Logic、NetLogic Microsystems、Renesas Electronics、Sony、Toshiba、中科院计算所和北京君正等，它们正积极地推出适用于数字家庭、网络、单片机和其他应用的MIPS-Based?产品。这些基于MIPS的产品合计年出货量超过6亿件。 图1：MIPS科技架构和ASE