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        除了通用计算器负责控制和计算之外，cpu如果需要正常有序地运行，还需要一定地协处理器来帮助完成对应地工作。在mips下面，这样地协处理器称之为cp0。协处理器的工作一般包括这几个方面，

        1）处理中断和异常；

        2）处理mmu和tlb；

        3）处理cache；

        4）处理其他cpu的相关属性。

        之前我们在谈到乘法和除法的时候，涉及到hi和lo这两个寄存器。其实，cp0的处理方法和他们是差不多的。如果是mf读操作，那么这个动作是在exe阶段完成的；如果是写操作，那么这个动作也是在wb阶段完成的。

1、准备cp0_reg.v

`include "defines.v" module cp0_reg( input wire clk, input wire rst, input wire we_i, input wire[4:0] waddr_i, input wire[4:0] raddr_i, input wire[`RegBus] data_i, // input wire[31:0] excepttype_i, input wire[5:0] int_i, // input wire[`RegBus] current_inst_addr_i, // input wire is_in_delayslot_i, output reg[`RegBus] data_o, output reg[`RegBus] count_o, output reg[`RegBus] compare_o, output reg[`RegBus] status_o, output reg[`RegBus] cause_o, output reg[`RegBus] epc_o, output reg[`RegBus] config_o, output reg[`RegBus] prid_o, output reg timer_int_o ); always @ (posedge clk) begin if(rst == `RstEnable) begin count_o <= `ZeroWord; compare_o <= `ZeroWord; //status寄存器的CU为0001，表示协处理器CP0存在 status_o <= 32'b000000000000000000000; cause_o <= `ZeroWord; epc_o <= `ZeroWord; //config寄存器的BE为1，表示Big-Endian；MT为00，表示没有MMU config_o <= 32'b000000000000000000000; //制作者是L，对应的是0x48，类型是0x1，基本类型，版本号是1.0 prid_o <= 32'b000000000000; timer_int_o <= `InterruptNotAssert; end else begin count_o <= count_o + 1 ; cause_o[15:10] <= int_i; if(compare_o != `ZeroWord && count_o == compare_o) begin timer_int_o <= `InterruptAssert; end if(we_i == `WriteEnable) begin case (waddr_i) `CP0_REG_COUNT: begin count_o <= data_i; end `CP0_REG_COMPARE: begin compare_o <= data_i; //count_o <= `ZeroWord; timer_int_o <= `InterruptNotAssert; end `CP0_REG_STATUS: begin status_o <= data_i; end `CP0_REG_EPC: begin epc_o <= data_i; end `CP0_REG_CAUSE: begin //cause寄存器只有IP[1:0]、IV、WP字段是可写的 cause_o[9:8] <= data_i[9:8]; cause_o[23] <= data_i[23]; cause_o[22] <= data_i[22]; end endcase //case addr_i end end //if end //always always @ (*) begin if(rst == `RstEnable) begin data_o <= `ZeroWord; end else begin case (raddr_i) `CP0_REG_COUNT: begin data_o <= count_o ; end `CP0_REG_COMPARE: begin data_o <= compare_o ; end `CP0_REG_STATUS: begin data_o <= status_o ; end `CP0_REG_CAUSE: begin data_o <= cause_o ; end `CP0_REG_EPC: begin data_o <= epc_o ; end `CP0_REG_PrId: begin data_o <= prid_o ; end `CP0_REG_CONFIG: begin data_o <= config_o ; end default: begin end endcase //case addr_i end //if end //always endmodule

2、id添加译码

讯享网 if(inst_i[31:21] == 11'b0 && inst_i[10:0] == 11'b00000000000) begin aluop_o <= `EXE_MFC0_OP; alusel_o <= `EXE_RES_MOVE; wd_o <= inst_i[20:16]; wreg_o <= `WriteEnable; instvalid <= `InstValid; reg1_read_o <= 1'b0; reg2_read_o <= 1'b0; end else if(inst_i[31:21] == 11'b0 && inst_i[10:0] == 11'b00000000000) begin aluop_o <= `EXE_MTC0_OP; alusel_o <= `EXE_RES_NOP; wreg_o <= `WriteDisable; instvalid <= `InstValid; reg1_read_o <= 1'b1; reg1_addr_o <= inst_i[20:16]; reg2_read_o <= 1'b0; end

3、ex阶段

1）增加数据读取操作

讯享网

 `EXE_MFC0_OP: begin cp0_reg_read_addr_o <= inst_i[15:11]; moveres <= cp0_reg_data_i; if( mem_cp0_reg_we == `WriteEnable && mem_cp0_reg_write_addr == inst_i[15:11] ) begin moveres <= mem_cp0_reg_data; end else if( wb_cp0_reg_we == `WriteEnable && wb_cp0_reg_write_addr == inst_i[15:11] ) begin moveres <= wb_cp0_reg_data; end end 

        看到这里，大家应该对这个代码不陌生了。之前谈到过，所有的寄存器都是在wb之后，才会真正写到寄存器里面的。但是，mfc0的动作是在exe阶段进行的，那么这个时候势必会出现数据读取错误的情况的。所以，解决这个问题最好的办法就是数据预取。id中寄存器预取、ex阶段hi&lo以及mfc预取、mem阶段llbit预取，本质上都是一回事。

2）增加写操作

讯享网 always @ (*) begin if(rst == `RstEnable) begin cp0_reg_write_addr_o <= 5'b00000; cp0_reg_we_o <= `WriteDisable; cp0_reg_data_o <= `ZeroWord; end else if(aluop_i == `EXE_MTC0_OP) begin cp0_reg_write_addr_o <= inst_i[15:11]; cp0_reg_we_o <= `WriteEnable; cp0_reg_data_o <= reg1_i; end else begin cp0_reg_write_addr_o <= 5'b00000; cp0_reg_we_o <= `WriteDisable; cp0_reg_data_o <= `ZeroWord; end end 

        cp0寄存器的写操作是和通用寄存器分开来的。所以这部分代码需要单独用逻辑快来表达。

4、mem阶段

        mem阶段对cp0没有什么影响，主要工作就是把之前ex阶段的数据透传下去即可。

 cp0_reg_we_o <= cp0_reg_we_i; cp0_reg_write_addr_o <= cp0_reg_write_addr_i; cp0_reg_data_o <= cp0_reg_data_i; 

5、准备汇编代码测试

讯享网 .org 0x0 .set noat .set noreorder .set nomacro .global _start _start: ori $1,$0,0xf mtc0 $1,$11,0x0 #写compare寄存器，开始计时 lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x401 mtc0 $1,$12,0x0 #将0x401写如status寄存器 mfc0 $2,$12,0x0 #读status寄存器，$2=0x401 _loop: j _loop nop 

6、将对应的汇编代码翻译成二进制文件

f  3c011000    0 00000000 

7、利用iverilog和gtkwave进行波形分析

         除了通用的pc、inst这些寄存器、wire之外，还可以把cp0_reg0里面的寄存器拉出来看看。重点看看we_i什么时候为高、写入的waddr_i对不对、和之前给出来的汇编代码能不能对的上。最后就是死循环了，因为mips延迟槽的原因，循环肯定是两个pc地址交替进行的。