MIPS单周期可执行24条指令CPU

实验要求

本实训项目帮助学生构建支持 24 条指令的 MIPS 单周期 CPU ，最终实现的处理器能运行 benchmark 测试程序。另外希望学有余力的同学能为自己的处理器增加中断处理机制，能响应外部设备中断请求。

指令格式

24条指令

*为特殊格式指令

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指令详解

R型

I型

J型

其中：

JumpAddr = ((PC + 4) & 0xf0000000) | ((address << 2) & 0x0ffffffc);

设计硬布线

ALU结构及规格

Equal = (X == Y)?(1:0);

控制信号

控制信号产生条件

ALU_OP及控制信号的确定

根据 ALU 规格及控制信号产生条件即可得到下表，其中 X 代表无操作

根据 Logisim 分析组合逻辑电路功能可以自动生成控制器内部逻辑

设计数据通路

因为是单周期 CPU，所有指令均在一个时钟周期内完成操作，所以指令与数据分别采用 ROM 及 RAM 存储

• 取指

• 

指令存储器 ROM 容量为 1K * 32 bit

由于指令存储器存储字长为 4B，而 PC 为指令字节地址，非指令字地址，故舍弃最低两位，将 2 ~ 11 位送入存储器地址端

指令 IR 分线后送入单周期硬布线控制器译码，同时下一指令的地址通过多路选择器送入程序计数器的数据端口，等待时钟上升沿锁存

PC下地址可通过下图产生，其中 X 代表该选择端无效：

JMP_IF 为条件分支跳转成功信号，只响应 Beq 或 Bne 指令：
$$JMP\_IF=BeqEqual+Bne\overline{Equal}$$

PC = PC + 4;													// PC + 4, 无任何跳转
PC = PC + 4 + (SignExtImm << 2);								// PC + imm，当 Beq 或 Bne 指令条件有效
PC = ((PC + 4) & 0xf0000000) | ((address << 2) & 0x0ffffffc);	// PC_J_JAL， J 或者 Jal 指令
PC = Reg[rs];													// PC_JR, JR指令

• 执行

Syscall 为系统调用指令，在该实验中，需要根据条件输出通用寄存器的值或产生停机信号：

if ($v0 == 0x22)
    /* 若通用寄存器 $v0 的值为 0x22，则输出 LedData,而 LedData 由寄存器锁存通用寄存器 $a0 的值 */
    std::cout << LedData;		 
else{
    /* 否则，产生停机信号，程序不向下执行，直到 Go 按钮事件产生 */
    do{
        ;
    }while(Go != true );
}

1. A

   通用寄存器 V0 编号为 2，a0 编号为 4，执行 syscall 指令时，多路选择器选择该组信号，其余指令选择 rs,rt

   通用寄存器 $ra 编号为 0x1f，记录返回地址，jal 指令可类比 x86 指令集中的 call 指令，所以该指令执行时，多路选择器选择 1 端口，写入寄存器 W# 选择 ra，将返回地址 PC + 4 写入寄存器文件（RegFile）

2. B

   根据控制信号 AluSrcB 及 SignedExt 作为多路选择器选择端，算逻运算单元 ALU 的 B 端输入数据如下图：

另外，（PC + imm）即为上文的具体实现

3. C

   JMP_IF 信号上文已叙述

   PC_JR 为 JR 指令执行时，指令中通用寄存器 rs 的值，该值作为新的 PC

   • 执行 syscall 指令且通用寄存器 $v0 值不为 0x22 时，使停机信号 Halt 置 1 ，该信号经非门使程序计数器使能端置 0 ，将其封锁
   • 若 $v0 值为 0x22，则 LED 更换数据信号 LED_EN 置 1 ，在下一个时钟的上升沿将通用寄存器 $a0 值锁存至 LedData 寄存器中

4. D

   数据存储器 RAM 的容量与指令 ROM 一致，均为 1K * 32 bit

   本实验唯一用到数据存储器 RAM 的指令只有 lw 及 sw ，地址线依旧舍弃最低两位

   MDin 为寄存器文件输出端 R2 的值，在 sw 指令执行时， 通过 MemWrite 信号，在时钟上升沿将其写入 RAM 中

   与此类似， lw 指令执行时，多路选择器选择内存数据，送入寄存器文件 Din 端口，在时钟上升沿写入 RegFile

备注

CLK 为时钟信号，RESET 为测试时清空各寄存器及 RAM 信号

最后完成的单周期 CPU