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基于 FPGA 的 MIPS32 流水线处理器的设计与实现
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基于 FPGA 的 MIPS32 流水线处理器的设计与实现
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MIPS指令集（1）
贡献者：娜希希i本站编辑：杭州厨师培训
MIPS CPU的一次操作可加载或存储1到8个字节的数据。由于乘法的结果返回的速度不足以使下一条指令能够自动得到这个结果，乘法结果寄存器是互锁的（interlocked）。在乘法操作完成之前试图读取结果寄存器就是导致CPU停止运行，直到完成。 和其他一些更简单的RISC体系结构相比，MIPS体系结构的目标之一是：体系结构朝着64位发展，从而使得地址的段式结构变得没有任何必要。（在64位版本的X86核PowerPC中还有这个负担） 功能分组： 空操作：nop、ssnop（不能和其他指令同时发射，至少需要一个时钟周期） 寄存器间的数据传送指令：move、movf、movt、movn、movz（后四个为条件传递指令） 常数加载指令：dla、la（获取某些标号地址或程序中变量地址的宏指令）；dli、li（加载常数立即数指令）；lui（加载高位立即数指令） 算术/逻辑操作指令：addu、addiu、daddu，daddiu（加法指令）；dsub、sub（会触发溢出陷入的减法操作）；dsubu、subu（普通减法指令）；abs、dabs（求绝对值操作）；dneg、neg、dnegu、negu（一元非操作）；and、andi、or、ori、xor、xori、nor、not（按位逻辑指令）；drol、dror、rol、ror（循环左移和右移）；dsll、dsll32、dsllv（64位左移，低位补零）；dsra、dsra32、dsrav（64位算术右移指令）；dsrl、dsrl32、dsrlv（64位逻辑右移指令）；sll、sllv（32位左移指令）；sra、srav（32位算术右移指令）；srl、srlv（32位逻辑右移指令）；slt、slti、sltiu、sltu（硬件指令，条件满足就写入1，否则写0）；seq、sge、sgeu、sgt、sgtu、sle、slue、sne（根据更复杂的条件设置目的寄存器的宏指令） 整数乘法、除法以及求余指令：ddiv、ddivu、div、divu（整数除法的3操作数宏指令分别处理64位或32位有符号或无符号数）；divo、divou（明确该指令是带有溢出检查的除法指令）；dmul、mul（3操作数64位或32位乘法指令，没有溢出检查）；mulo、mulou、dmulo、dumlou（乘法宏指令，如果结果不能存入一个通用寄存器，发生溢出，触发异常）；dmult、dmultu、mult、multu（执行有符号/无符号32/64位乘法的机器指令）；drem、dremu、rem、remu（求余操作）；mfhi、mflo、mthi、mtlo（用于访问整数乘除单元的结果寄存器hi和lo） 存取指令（内存访问指令）：lb、lbu（加载一个字节，高位可以补零，或进行符号扩展，以补充整个寄存器的长度）；ld（加载一个双字）；ldl、ldr、lwl、lwr、sdl、sdr、swl、swr（向左、向右加载、存储一个字、双字）；lh、lhu（加载一个半字，高位可以补零，或进行符号扩展，以补充整个寄存器的长度）；lw、lwu（加载一个字）；pref、prefx（把数据预取到缓冲）；sb、sd、sh、sw（存储字节、双字、半字、字）；uld、ulh、ulhu、ulw、usd、usw、ush(地址非对齐的数据存取宏指令)；l.d、l.s、s.d、s.s（存取双精度和单精度浮点数的指令，地址必须对齐）；ldxcl、lwxcl、sdxcl、swxcl（采用基址寄存器+偏移寄存器的寻址方式存取指令）； 跳转、分支和子程序调用指令：j（无条件跳转到一个绝对地址，访问256M的代码空间）；jal、jalr（直接或间接子程序调用，这种跳转不仅能跳转到指定地址，而且可以顺便把返回地址（当前指令地址+8）放到ra寄存器中）；b（基于当前指令地址的无条件相对跳转）；bal（基于当前地址的函数调用指令）；bc0f、bc0f1、bc0t、bc0t1、bc2f、bc2f1、bc2t、bc2t1（根据协处理器0和2的条件标志进行跳转）；bc1f、bc1f1、bc1t、bc1t1（根据浮点条件标志位进行跳转）；beq、beq1、beqz、beqz1、bge、bge1、bgeu、bgeu1、bgez、bgez1、bgt、bgt1、bgtu、bgtu1、bgtz、bgtz1、ble、ble1、bleu、bleu1、blez、blez1、blt、blt1、bltu、bltu1、bltz、bltz1、bne、bnel、bnez、bnezl（双操作数和单操作数的比较跳转指令）；bgeza1、bgeza11、bltza1、bltza11（如果需要 ，这些指令是用于有条件函数调用的原始机器指令）； 断点及陷阱指令：break（产生一个“断点”类型的异常）；sdbbp（产生EJTAG异常的断点指令）；syscall（产生一个约定用于系统调用的异常类型）；teq、teqi、tge、tgei、tgeiu、tgeu、tlt、tlti、tltiu、tltu、tne、tnei（条件异常指令，对一个或两个操作数进行条件测试）；
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&& ------涂鸦部分为个人gmail帐号-------3.把得到授权后的username和password粘到~/.netrc文件里，如果没此文件，新建。即加入下面部分：4.强制访问googlesource，执行初始化命令注意由原来的$ repo init -u /platform/manifest改成了$ repo init -u /a/platform/manifest 对于下载不同版本的android代码，指定一个manifest分支（即只指明android对应的版本），使用-b参数(即下载某个版本的源代码)，如：下载基于android4.0的分支为android-4.0.1_r1的代码$ repo init -u /a/platform/manifest -b android-4.0.1_r1这里以下载android4.2的分支为de&android-4.2_r1的de&代码为例：$ repo init -u /a/platform/manifest -b android-4.2_r1也可尝试一下不加“/a”，自己试吧：$ repo init -u /platform/manifest -b android-4.2_r1执行以上命令后，会在/home/zhoulc/work/android4.2/目录中生成一个.repo的目录，此目录保存了将要下载的源代码的相关信息。---------------------------------------------------------------------------------------------------------可能的错误信息（没有，则跳过红色部分）：如果执行$ repo init -u /a/platform/manifest -b android-4.2_r1/home/zhoulc/bin/repo: line 1: syntax error near unexpected token `newline'/home/zhoulc/bin/repo: line 1: `&!DOCTYPE html&解决方案：原来下载的repo不能用，得换一个：执行：$ curl "http://php.webtutor.pl/en/wp-content/uploads/2011/09/repo"& ~/bin/repo$ chmod a+x ~/bin/repo再运行就OK了：$ repo init -u /a/platform/manifest -b android-4.2_r1gpg: keyring `/home/zhoulc/.repoconfig/gnupg/secring.gpg' createdgpg: keyring `/home/zhoulc/.repoconfig/gnupg/pubring.gpg' createdgpg: /home/zhoulc/.repoconfig/gnupg/trustdb.gpg: trustdb createdgpg: key 920F5C65: public key "Repo Maintainer &repo@android.kernel.org&"表ed。。。。。Testing colorized output (for 'repo diff', 'repo status'):& black&&& red&&&&& green&&& yellow&& blue&&&& magenta&& cyan&&&& white & bold&&&& dim&&&&& ul&&&&&& reverse Enable color display in this user account (y/n)? yrepo initialized in /home/zhoulc/work/android4.2仓库初始化完毕了------------------------------------------------------------------------------执行之后的打印信息：zhoulc@zhoulc-PC:~/work/android4.2$ repo init -u /a/platform/manifestGet /git-repo/clone.bundleGet /a/platform/manifest& % Total&&& % Received % Xferd& Average Speed&& Time&&& Time&&&& Time& Current&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Dload& Upload&& Total&& Spent&&& Left& Speed100&&&& 1& 100&&&& 1&&& 0&&&& 0&&&&& 3&&&&& 0 --:--:-- --:--:-- --:--:--&&&& 4100 9126&&& 0&&&& 0&& 120k&&&&& 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 1168kReceiving objects: 100% (398/398), 85.13 KiB, done.Resolving deltas: 100% (143/143), done.From /home/zhoulc/work/android4.2/.repo/manifests.git/clone.bundle&* [new branch]&&&&& tradefed&& -& origin/tradefed&* [new branch]&&&&& tradedef&& -& origin/tradedef&* [new branch]&&&&& tools_r20& -& origin/tools_r20&* [new branch]&&&&& master-dalvik -& origin/master-dalvik&* [new branch]&&&&& master&&&& -& origin/master&* [new branch]&&&&& ics-mr1&&& -& origin/ics-mr1&* [new branch]&&&&& ics-mr0&&& -& origin/ics-mr0&* [new branch]&&&&& gingerbread-release -& origin/gingerbread-release&* [new branch]&&&&& gingerbread -& origin/gingerbread&* [new branch]&&&&& froyo&&&&& -& origin/froyo&* [new branch]&&&&& android-sdk-adt_r20 -& origin/android-sdk-adt_r20&* [new branch]&&&&& android-sdk-adt_r16.0.1 -& origin/android-sdk-adt_r16.0.1........................&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r1 -& android-4.1.1_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r1.1 -& android-4.1.1_r1.1&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r1_ -& android-4.1.1_r1_&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r2 -& android-4.1.1_r2&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r3 -& android-4.1.1_r3&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r4 -& android-4.1.1_r4&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r5 -& android-4.1.1_r5&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r6 -& android-4.1.1_r6&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.1_r6.1 -& android-4.1.1_r6.1&* [new tag]&&&&&&&& android-4.1.2_r1 -& android-4.1.2_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-4.2.1_r1__ -& android-4.2.1_r1__&* [new tag]&&&&&&&& android-4.2_r1___ -& android-4.2_r1___&* [new tag]&&&&&&&& android-cts-4.1_r1 -& android-cts-4.1_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-sdk-support_r11 -& android-sdk-support_r11Your identity is: xxxx &&If you want to change this, please re-run 'repo init' with --config-namerepo initialized in /home/zhoulc/work/android4.2zhoulc@zhoulc-PC:~/work/android4.2$5.同步代码即可：&$ repo sync-----------------------------------------------------------------repo sync时如果出现错误信息（没有出现此错误，请跳过）：$ repo syncInitializing project platform/abi/cpp ...fatal: '../platform/abi/cpp.git' does not appear to be a git repositoryfatal: The remote end hung up unexpectedlyerror: Cannot fetch platform/abi/cpp解决方案：可以查看根目录下有个.repo文件夹,在.repo目录下的manifest.xml里找到fetch属性
fetch=&"git://Android.git.linaro.org/&"即$ vi .repo/manifest.xml&?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?&&manifest&& &remote& name="aosp"&&&&&&&&&& fetch=".."&&&&&&&&&& review="https://android-/" /&& &default revision="refs/tags/android-4.2_r1"&&&&&&&&&& remote="aosp"&&&&&&&&&& sync-j="4" /&将fetch=".."修改成fetch=&"git://Android.git.linaro.org/&"，再sync就OK了--------------------------------------------------------------
如果中间出现中断，这个很正常，你可以再次输入 ~/bin/repo sync 命令来进行下载。
根据网速的不同，下载时间也有快慢，最好在睡觉前或下班后下载代码，由于源文件比较大，一般国内都要5小时左右甚至更久。
若是出现以下信息，表示代码以下载完成：........................From /home/zhoulc/work/android4.2/.repo/projects/tools/motodev.git/clone.bundle&* [new branch]&&&&& tools_r21& -& aosp/tools_r21&* [new branch]&&&&& master&&&& -& aosp/master&* [new branch]&&&&& jb-mr1-release -& aosp/jb-mr1-release&* [new branch]&&&&& jb-mr1-dev -& aosp/jb-mr1-devremote: Counting objects: 2506, doneremote: Finding sources: 100% (4/4)remote: Total 4 (delta 0), reused 4 (delta 0)Unpacking objects: 100% (4/4), done.From /a/platform/tools/motodev&* [new tag]&&&&&&&& android-4.2.1_r1 -& android-4.2.1_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-4.2_r1 -& android-4.2_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-cts-4.2_r1 -& android-cts-4.2_r1&* [new tag]&&&&&&&& android-sdk-support_r11 -& android-sdk-support_r11Fetching projects: 100% (329/329), done. &Checking out files: 100% (), done.out files:& 44% ()& &Checking out files: 100% (), done.out files:&& 0% (2/6764)& &Checking out files: 100% (), done.ut files:& 40% ()& &Checking out files: 100% (), done.ut files:&& 1% (357/18696)& &Checking out files: 100% (361/361), done.ng out files:& 48% (175/361)& &Checking out files: 100% (175/175), done.ng out files:& 43% (76/175)& &Checking out files: 100% (), done. out files:&& 1% (39/2407)& &Checking out files: 100% (137/137), done.ng out files:& 44% (61/137)& &Checking out files: 100% (), done.ut files:& 14% ()& &Checking out files: 100% (93/93), done.Checking out files: 100% (450/450), done.Checking out files: 100% (), done. out files:& 35% ()& &Checking out files: 100% (13/13), done.king out files:& 15% (2/13)& &Syncing work tree: 100% (329/329), done. &zhoulc@zhoulc-PC:~/work/android4.2$&运行~/bin/repo sync 还可以重新校对下载的源码，若是有问题或遗漏了一些文件会重新下载，并从.repo目录中导出到实际源码中
注：此步可能会出现下载错误，请查看本文最后部分的说明
2、编译环境的安装 首先若是没有修改源，请修改为国内的源，从而提高软件的下载安装的速度 可以参考下面博客的内容添加一些速度快的源，如：台湾源、Ubuntu官方上海源、网易、搜狐、
基本只要安装以上软件即可，官方网站上说的其它一些软件或者设置可以不用理会。 注：此步可能会出现错误，请查看本文最后部分的说明 环境搭建详情：
3、编译源代码 3.1编译初始化： 在终端中执行： source build/envsetup.sh 或： . build/envsetup.sh 执行后输出： source build/envsetup.sh
including device/asus/grouper/vendorsetup.sh including device/asus/tilapia/vendorsetup.sh including device/generic/armv7-a-neon/vendorsetup.sh including device/generic/armv7-a/vendorsetup.sh including device/generic/mips/vendorsetup.sh including device/generic/x86/vendorsetup.sh including device/samsung/maguro/vendorsetup.sh including device/samsung/manta/vendorsetup.sh including device/samsung/toroplus/vendorsetup.sh including device/samsung/toro/vendorsetup.sh including device/ti/panda/vendorsetup.sh including sdk/bash_completion/adb.bash
3.2选择编译目标： $ lunch full-eng 或$ lunch 1执行后会又以下信息提示： ============================================ PLATFORM_VERSION_CODENAME=REL PLATFORM_VERSION=4.2 TARGET_PRODUCT=full TARGET_BUILD_VARIANT=eng TARGET_BUILD_TYPE=release TARGET_BUILD_APPS= TARGET_ARCH=arm TARGET_ARCH_VARIANT=armv7-a HOST_ARCH=x86 HOST_OS=linux HOST_OS_EXTRA=Linux-2.6.32-45-generic-x86_64-with-Ubuntu-10.04-lucid HOST_BUILD_TYPE=release BUILD_ID=JOP40C OUT_DIR=out ============================================
3.3编译代码： 在终端中执行：make -j4 -j4：表示用四个线程来编译：
编译根据不同机器的配置不同所需时间也有很大差异，如本人电脑为intel i5-2300四核2.8，2G内存，晚上8点开始编译，将近凌晨2点才编译完成，所以编译源代码也最好是在睡觉时或下班后进行。
出现以下信息表示编译完成：..............Done!Install: out/target/product/generic/system/app/Browser.odexInstall: out/target/product/generic/system/app/Browser.apkbuild/tools/generate-notice-files.py& out/target/product/generic/obj/NOTICE.txt& out/target/product/generic/obj/NOTICE.html "Notices for files contained in the filesystem images in this directory:" out/target/product/generic/obj/NOTICE_FILES/srcCombining NOTICE files into HTMLCombining NOTICE files into textInstalled file list: out/target/product/generic/installed-files.txtTarget system fs image: out/target/product/generic/obj/PACKAGING/systemimage_intermediates/system.imgRunning:& mkyaffs2image -f out/target/product/generic/system out/target/product/generic/obj/PACKAGING/systemimage_intermediates/system.imgInstall system fs image: out/target/product/generic/system.imgzhoulc@zhoulc-PC:~/work/android4.2$
编译可能出现的错误，请查看本文最后部分的说明
4、运行模拟器 在终端中执行：emulator
5、相关问题的解决办法 5.1 下载源代码可能会提示的错误
5.1.1 error: Exited sync due to fetch errors...
希望各位不要出现这个错误，出现这个错误就要折腾一会了
首先继续repo sync，若是一直提示这个错误，那么就按照下面的方法来做吧：
关于这个问题其实google是有说明的，为了防止连接数过多，每个ip都需要认证。。。
第一步：从这里&&&获取用户名和密码，前提是你在之前填写了你的真实姓名和邮箱&
第二步：将上面的页面上以machine开头的两行复制到 &~/.netrc文件中
第三步：repo init -u /a/platform/manifest &多了个“/a”
然后就可以repo sync了
特别注意.netrc文件是在用户的根目录下，root用户就是/目录下，如果没有的话就自己建一个，把权限改为 *00
5.1.2若是出现这个错误：Exited sync due to gc errors
表示代码基本下载完，需要从repo里面导出来，但是git的版本太低，不支持1.72以下版本。 添加这个源：deb http://ftp.de.debian.org/debian sid main。 在终端中执行：gedit /etc/apt/source.list 在文件的最后添加deb http://ftp.de.debian.org/debian sid main，并保存退出 回到终端中执行：sudo apt-get update 更新完后，安装高版本的git工具 在终端中执行：sudo apt-get install git-core5.1.3 代码下载过程中，经常提示以下错误：
error: Failed connect to :443;Connection
refused while
accessing /a/platform/frameworks/base/info/refs
fatal: HTTP request failed
error: Cannot fetch platform/tools/motodev
error: Cannot fetch platform/frameworks/base
error: Cannot fetch platform/prebuilts/sdk
error: Exited sync due to fetch errors
解决方法：编辑/etc/hosts文件
$ vim /etc/hosts
增加下面内容，保存（提前保存好）：
74.125.31.82
74.125.31.82
203.208.46.172 cache.
59.24.3.173 cache.
5.2安装编译环境的软件可能会出现的问题 下列软件包有未满足的依赖关系： libasound2: 破坏: libasound2-plugins (& 1.0.24-0ubuntu3) 但是 1.0.22-0ubuntu6 正要被安装
libglib2.0-0: 破坏: gnome-control-center (& 1:3) 但是 1:2.30.0-0ubuntu4 正要被安装
ppp: 破坏: network-manager (&= 0.8.0.999-1) 但是 0.8-0ubuntu3 正要被安装E: 破损的软件包
某些源有问题,为高版本 ubuntu的源 ,删除即可,如安装高版本的git所用的源就是ubuntu 10.4之后的源，用在10.04上就可以会有问题，引起此提示。 在终端中执行：gedit /etc/apt/source.list 把文件的最后 deb http://ftp.de.debian.org/debian sid main 删除，并保存退出 回到终端中执行：sudo apt-get update 再次重新安装编译环境的软件
5.3、编译可能会遇到的问题： 5.3.1运行make命令后，提示以下错误：/bin/bash: java: command not found 首先检查是否确实安装了jdk，在终端中输入：java -version ，若是有安装jdk，就会显示jdk的版本信息，提示出错，说明没有安装jdk，那么就安装jdk。 安装jdk后还是提示上面的错误信息，则按执行以下命令建立链接文件来解决问题： sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/jar ~/bin/jar sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/java ~/bin/java sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javac ~/bin/javac sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javah ~/bin/javah sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javadoc ~/bin/javadoc
重新编译若还是提示一样的错误，再执行下面的命令： sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/jar /bin/jar sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/java /bin/java sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javac /bin/javac sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javah /bin/javah sudo ln -s /jdk1.6.0_21/bin/javadoc /bin/javadoc 至此java的问题应该可以解决
5.3.2 编译出现以下错误提示：
============================================
Checking build tools versions...
************************************************************
You are attempting to build with the incorrect version
Your version is: java version "1.6.0_24".
The correct version is: Java SE 1.6.
Please follow the machine setup instructions at
/source/download.html
************************************************************
build/core/main.mk:141: *** stop。 停止。
切换从普通用户登，然后修改源码目录的存取权限：chmod 777 src
之后再运行编译命令再次编译
5.3.3 No command 'lunch' found, did you mean:
解决方法：
运行以下命令：
source build/envsetup.sh 之后再次运行编译命令：lunch full-eng或lunch full-user ……..
5.4运行模拟器可能会出现的问题：
No command 'emulator' found, did you mean:
编译成功之后，在终端运行emulator命令，却提示：
No command 'emulator' found, did you mean:
Command 'qemulator' from package 'qemulator' (universe)
emulator: command not found
解决方法：
重新运行以下命令：
source build/envsetup.sh
lunch full-eng 之后再次运行 emulator
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Google于发布了Android4.2的源码，下面把本人在ubuntu12.04 的64位系统上下载源码，和编译',
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