MIPS运行原理浅析笔记

单片机

本帖最后由 yirenonege 于 2012-7-19 15:24 编辑

   我是看十天学会单片机的视频开始接触单片机的，很长时间单片机内部是如何运行的对我来说是个谜，帖子也写给像我这样的初学者。

      中国大学讲微机原理依据的是X86体系架构，实际上X86架构作为一个通用平台它每一次升级都要保持很好的向前兼容性，最后导致它的结构异常复杂。单片机原理讲的是51的架构，但实际上到我学完这门课拿到一个不错的分数之后，我依然没有搞懂单片机里面到底是怎么运行的。有幸在网上找到一份外国的讲微机原理的课件，MIPS简洁唯美，作为案例讲解应该是最恰当的。附上网址：http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/su12/

了解你写的语句，如何通过数字电路实现的是一件很有意思的事情，大体像下面这样一个过程

C语言 -> 汇编语言 -> 机器语言-> 硬件电路

a=b+c; add  $s1,$s2,$S3; 000000 00001 00002 00003 00001  00000  ;  case( fuct )  4'b0000 :begin output=A+B;end


   长久以来让我困惑的51指令像这样：ADD  A,#10H；  把立即数 10#和累加器A相加结果放到A里面。很长时间我都觉得这东西是个怪胎，当然现在我理解为什会这样。
      看一条MIPS语句  add  $s1,$s2,$S3; 它表示把寄存器s2中的数和寄存器s3中的数相加放到s1中。这是一条典型MIPS的R类型的语句。下面是MIPS的ALU的结构

      执行这个+操作的硬件部件叫做ALU，是算数逻辑单元的简称。算数说明这个硬件单元可以进行加减乘除等算数功能，逻辑指这个硬件单元可以对两个数相与或者相或。

      ALU要加工的数哪里来呢？ALU工厂加工的料仅从寄存器这个仓库里面来，MIPS架构就是这样规定的，来源的两个数只能取自寄存器。51单片机要操作的数可能来自寄存器可能来自外部储存器，这也就是所谓的寻址方式。也称MIPS只支持寄存器寻址。

      MIPS的寄存器组，寄存器组就是为ALU提供数据和暂存数据的空间。MIPS有32个寄存器，如果为每一个寄存器组分配一个二进制地址的话，需要5bit足够了。每一个寄存器存放着一个32bit的数。MIPS每次都可以对两个32bit的数进行运算，它是32位的处理器。

   在计算机的世界里除了1和0以为没有别的任何东西。也就意味着一幅图片和一首歌在电脑上储存的形式就是一大长串形如0110这样格式的代码，如何知道一串二进制码到底代表了什么真实含义呢？这就依赖格式，比如人为规定第一位是0代表图片，第一位是1代表歌曲。想jpeg就是一种图片格式，大家约定好了哪个位置放图片的大小的信息，哪个位置放哪个像素的颜色信息，这样相机拍出来的照片一样可以在其它设备上浏览编辑。

   汇编语句一样，MIPS中人为去约定一个32bit的某个字段代表什么意义，这样单片机就可以根据这个32bit数进行运行了。一条R类型的指令每个字段对应的含义如下

op这6bit表示这是一条R类型的指令，因为MIPS不光包含有R类型的指令。rs 和rt为源操作数，两个5bit信息代表两个源寄存器的地址。rd表示目的操作数，也就是存放的结果放到哪个寄存器里面。shamt只用于移位指令，这里暂时不考虑。funct字段表示ALU需要执行什么功能，是加减还是乘除等等。

如何verilog语言实现一个ALU，虽然我没有写但是可以在网上找个类似的：）

module MIPSALU (ALUctl, A, B, ALUOut, Zero);
input [3:0] ALUctl;
input [31:0] A,B;
output reg [31:0] ALUOut;
output Zero;
assign Zero = (ALUOut==0); //Zero is true if ALUOut is 0; goes anywhere
always @(ALUctl, A, B) //reevaluate if these change
case (ALUctl)
0: ALUOut <= A & B;
1: ALUOut <= A | B;
2: ALUOut <= A + B;
6: ALUOut <= A - B;
7: ALUOut <= A < B ? 1:0;
12: ALUOut <= ~(A | B); // result is nor
default: ALUOut <= 0; //default to 0, should not happen;
endcase
endmodule

复制代码

   这是一个带有5级流水线的MIPS的内核的结构。PC是程序指针，程序存储器的地址每次增加4个字节，也就是说每个地址由4个字节构成的。从程序寄存器取完指令之后，解码根据指令读出所需寄存器中的数。Registers有4个输入口，其中两个5bit的读取地址入口，一个5bit的输入地址入口，一个1bit的读写控制入口。输出口上输出的是选中的寄存器的内容，每个32bit宽。再向右进入右面的ALU执行操作。再向右是 DataMemory 数据存储器，有的指令需要操作数据存储器内的内容。再向右是一个2选1选择器。可以看到它有两个输入，上面的输入对应的是，把数据存储器里的数存入寄存器，下面的是把ALU的结果存入寄存器组。取值 -> 指令译码  -> 执行  ->  数据存取 ->  写回

      ALU的输入的数只来自于寄存器组，输出的数据只写入寄存器中。要想读取数据存储器中的数就得先将其装载到寄存器，要想写入数据存储器就得从寄存器里面读。

      可以看出精简指令集的架构非常简洁。所以我觉的效仿西方用MIPS作为微机原理的案例更好，不过鲁迅在八十多年前说过，“中国太难改变了，即使搬动一张桌子，改装一个火炉，几乎也要血；而且即使有了血，也未必一定能搬动，能改装。”

      当然一个商用的处理器较这个复杂万倍。毕竟术业有专攻。本帖子主要介绍了两点汇编与机器码的对应关系，一个简单的ALU，再讲多了就讲不明白也没人有耐心看了。用verilog编写一个简单的MIPS核是老外上的这门课的一个作业。他们花半学期讲原理，半学期来动手实验。我写的内容就依据其授课的ppt，有说错的地方请以课件为准。

提交了方案之后就没时间做了{:soso_e110:}，本来想就此了之{:soso_e147:}，但是网站的MM很负责经常打电话提醒，太过意不去了，于是厚着脸皮过来冒个泡{:soso_e149:}。既然都写了，那就发表吧，就算是对以前学习的一个总结{:soso_e189:}

Kelly Yang · 2012-7-25 17:24:13

加油

wangka · 2012-7-26 10:01:49

楼主性情中人啊欢迎经常和大家分享学习经验

刘高杰 · 2012-7-26 11:09:00

顶一下

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