【计算机模型机设计】单周期MIPS CPU设计报告

2022年结束了，过去一年确实发生了很多事情，开心的、伤心的、激动的、平凡的…这些都已经成为过去了，只希望在新的一年里，能够多一些开心，少一些emo，做一些自己喜欢的事情。
其实说实话，感觉我的2022年挺不尽人意的，很多事情明明可以坚持下去，最后都以放弃结束了；明明可以努力争取，却还是以摆烂结束…这些不尽人意就随着2022一起走吧！这些在2023年会改变的。
啊哈哈哈哈，大家一起加油哇！！！

一、计算机模型设计概述

1.1设计目的

• 《数字逻辑与计算机组成》是计算机科学与技术专业的核心基础课。该课程力图以“培养学生现代计算机系统设计能力”为目标，贯彻“强调软/硬件关联与协同、以 CPU 设计为核心/层次化系统设计的组织思路，有效地增强对学生的计算机系统设计与实现能力的培养”。
• 本课程设计是完成该课程并进行了多个单元实验后，综合利用所学的理论知识，并结合在单元实验中所积累的计算机部件设计和调试方法，设计简单计算机系统。所设计的系统能在 LOGISIM 仿真平台上正确运行，通过检查程序结果的正确性来判断所设计计算机系统正确性。
• 本课程设计属于设计型实验，不仅锻炼学生简单计算机系统的设计能力，而且通过进行中央处理器底层电路的实现、故障分析与定位、系统调试等环节的综合锻炼，进一步提高学生分析和解决问题的能力。

1.2设计任务

• 本课程设计的总体目标是利用 LOGISIM 仿真平台，设计MIPS CPU，要求所设计的CPU 系统能支持自动和单步运行方式，能正确地执行存放在主存中的程序的功能，对主要的数据流和控制流通过 LED、数码管等适时的进行显示，方便监控和调试。利用仿真软件对模型机系统中各部件进行仿真分析和功能验证。具体设计任务如下：
• 在logisim平台利用已给出的组件构建一个32位MIPS单周期CPU，该CPU支持如表1. 1列出的核心指令集中的8条指令。要求绘制单周期MIPS CPU数据通路、实现单周期硬布线控制器，并最终能在完成的CPU上运行冒泡排序的测试程序sort.hex且获得正确的输出结果。
• 表1.1 8条核心指令集

MIPS指令	格式
add $rd,$rs,$rt	R[$rd]\leftarrow R[$rs]+R[$rt]溢出时产生异常，且不修改R[$rd]
slt $rd,$rs,$rt	R[$rd]\leftarrow R[$rs]
addi $rt,$rs,imm	R[$rt]\leftarrow R[$rs]+SignExt16b(imm) 溢出产生异常
lw $rt,imm($rs)	R[$rt]\leftarrow Mem4B(R[$rs]+SignExt16b(imm))
sw $rt,imm($rs)	Mem4B(R[$rs]+SignExt16b(imm))\leftarrow R[$rt]
beq $rs,$rt,imm	if(R[$rs]=R[$rt]) PC ← PC + SignExt18b({imm, 00})
bne $rs,$rt,imm	if(R[$rs]!=R[$rt]) PC ← PC + SignExt18b({imm, 00})
syscall	系统调用，这里用于停机

1.3设计要求

（1）根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案；
（2）分析指令系统格式，指令系统功能；
（3）根据指令系统构建基本功能部件，主要数据通路；

• 表 1.2 24条核心指令集

指令	格式
Add	add $rd, $rs, $rt
Add Immediate	addi $rt, $rs, immediate
Add Immediate Unsigned	addiu $rt, $rs, immediate
Add Unsigned	addu $rd, $rs, $rt
And	and $rd, $rs, $rt
And Immediate	andi $rt, $rs, immediate
Shift Right Arithmetic	sra $rd, $rt, shamt
Shift Right Logical	srl $rd, $rt, shamt
Sub	sub $rd, $rs, $rt
Or	or $rd, $rs, $rt
Or Immediate	ori $rt, $rs, immediate
Nor	nor $rd, $rs, $rt
Load Word	lw $rt,offset($rs)
Store Word	sw $rt,offset($rs)
Branch on Equal	beq $rs, $rt, label
Branch on Not Equal	bne $rs, $rt, label
Set Less Than	slt $rd, $rs, $rt

• 备注：指令功能及指令格式参考 MIPS32 指令集

指令	格式
Set Less Than Immediate	slti $rt, $rs, immediate
Set Less Than Unsigned	sltu $rd, $rs, $rt
Jump	j label
Jump and Link	jal label
Jump Register	jr $rs

• 备注：指令功能及指令格式参考 MIPS32 指令集

指令	格式
syscall（display or exit）	Syscall

• 备注：If $v0==34数码管显示$a0值 else halt(停机指令)
  （4）根据功能部件及数据通路连接，分析所需要的控制信号以及这些控制信号的有效形式；
  （5）设计出实现指令功能的硬布线控制器和微程序控制器；
  （6）调试、数据分析、验收检查；
  （7）课程设计报告和总结。

1.4技术指标

（1）支持表 1.1 中8 条基本 32 位 MIPS 指令；
（2）能运行由自己所设计的指令系统构成的一段测试程序，测试程序应能涵盖；
（3）所有指令，程序执行功能正确；
（4）能运行教师提供的标准测试程序，并自动统计执行周期数。

二、单周期MIPS CPU方案设计

2.1主要功能部件

1、程序计数器：在时钟沿到来时，用NPC的值更新PC。
2、指令存储器：将PC输入的地址对应的指令输出。
3、ALU：将A,B,C输入的操作数按照ALUOp信号进行相应的算术运算、逻辑运算或移位操作，输出为D。
4、寄存器组：本系统的寄存器组，可以读出指令中指定rs，rt对应的寄存器的数据，也能在时钟沿到来时将WDSel指定数据源的数据写入WRSel指定的寄存器之一。
5、数据存储器：按照ALUOUT给出的地址，将从RF读出的数据在时钟沿到来时写入存储器；或从存储器中读出对应地址的数据。
6、单周期硬布线控制器：按照OP和Func的值输出对应的控制信号。

2.2数据通路的设计

单周期MIPS CPU数据通路要将运算和功能部件进行连接，组成一个能个执行取值、译码、执行、进一步可能包含中断的数据连接，能够让指令从PC开始，流向各运算和功能部件，并成功指令相应的功能，给出相应的返回，并且数据通路要具备基本的CPU要求，能够形成相应的数据流和状态转移。

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。一个指令周期包含取指周期和执行周期，因此实验的数据通路架构应该分为两块，即取指和执行。
RAM是一种可读/可写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存储。ROM是只能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。

取址阶段完成取指令和分析指令的操作，称为取指周期。执行阶段完成指令的操作，成为执行周期。取指（包含跳转和分支指令，跳转和分支指令可改变程序的控制流）和PC相对寻址指令（地址计算依赖于PC值）称为“分支”，绝对地址指令（地址计算不依赖于PC值）成为“跳转”。具有跳转功能的指令有JR、J、JAL以及分支指令BEQ、BNE。

PC默认输入为PC+4（无跳转时下一条指令地址），跳转发生时根据不同的指令会指向不一样的地址，所以使用了三个二路选择器来实现跳转。一般情况下指令是顺序执行，控制信号为PC+4，我们用加法器来实现。输入端为当前指令地址和32位整数00000004，输出即为PC+4。

BEQ和BNE是根据比较的结果改变控制流，ifequal或者ifnotequal，所以可以合并为一条指令Branch。Branch、JMP、JR均为低电平时输入PC+4，否则就输入高电平的信号对应的那一地址。如果Branch为高电平而JR、JMP为低电平时输入PC+4+(SignExtImm<<2),即图中的PC+imm16<<2。

根据地址从指令寄存器中读出指令，再通过分线器读出指令的各个部分，硬布线控制器通过opcode和funct分析出指令将要执行的操作并产生控制信号。取指部分结束。

执行部分分为以下6个部分：
1.首先需要从数据寄存器进行输入。
2.再到运算器输入。
3.将数值存入存储器中。
4.当JAL信号为高电平时，把PC+4的值写回数据寄存器。（存放返回的地址）
5.Syscall指令与Led显示屏的输出：

6.总周期数的计算：为了方便平台测评，实验还要提供计算总周期数的功能，未停机时即为一个周期。执行部分到此结束。
CPU数据通路图如下：

2.3控制器的设计

根据给出的单周期硬布线控制器的线路，实现其中的运算器控制器和控制信号生成。使用logisim的组合逻辑电路分析功能，获取了相应量的表达式就可以自动生成对应的电路。

1.运算器控制器
运算器控制器设计的基本思想是通过24条MIPS指令的运算指令，进行组合逻辑分析，将运算指令送入到ALU_OP中。首先要对24条MIPS指令具体的执行过程进行分析，然后对每条MIPS指令，结合运算器ALU单元的运算规格，给出每条MIPS指令的运算类型，填入到自动生成表格中，进行ALU_OP值的生成，然后利用分析电路功能，自动生成电路。

2.控制信号生成器
控制信号生成器的基本思想与运算器部分类似，但这次不是对于24条MIPS指令的运算执行部分进行分析，而是对于24条MIPS指令具体所需要的控制信号进行分析，对每一条MIPS所需的控制信号分析，通过组合逻辑分析，得到控制信号的组合逻辑。

三、单周期MIPS CPU的详细设计与实现

3.1主要功能部件实现

• 程序计数器：在不接收到跳转指令时，依次取指令，因每条指令长度都为4个字节，所以每次取完指令PC+4读取下一条指令。
  
• 指令存储器：使用一个随机存储器作为指令存储器。
  
• 寄存器组：根据从指令存储器中读取的指令辨别指令类型，以R型为例，将指令的Rs和Rt存入寄存器组中，在R1R2端输出传入运算器，计算完毕后传入WD写入Rd中。
  
• 数据存储器：接收一个地址并在地址位置写入WD传入的值。
  
• ALU：根据ALUOP来选择运算器，并将计算结果输出。
  
• 单周期硬布线控制器：根据输入的OP和Func来控制电路的整体工作状态。
  

3.2详细的数据通路的实现

保存当前运行的指令的地址的寄存器数据通路合并的，把各种功能的数据路径合并，使得每个时钟周期执行一条指令基本方法：使用多路选择器与控制信号。通过一条指令来说明：（clk上升）使用当前PC寄存器的值取出一条指令。（clk高电平）指令送到IR寄存器，分段直接送往译码单元和寄存器堆，获得ALU_OP和Write_Reg信号。ALU接收到ALU_OP对两个读出的数据进行运算，同时计算标志寄存器的值。（clk下降沿）同时激活PC自增、目标寄存器的写入、标志寄存器的更新，根据高电平生成的控制信号来确定是否写入。

最左侧多路选择器，当执行有条件跳转指令时，选择跳转地址，跳转地址由15位的立即数运算得到；下一层为无条件跳转指令选择，当执行JAL（函数调用指令）或J（无条件跳转指令）选择由26位立即数运算得到的地址；第三层选择为JR指令（跳转到寄存器记录地址，一般用于在JAL调用退出时使用），一般选择寄存器保存JAL执行时PC的值，函数调用后，再读取寄存器的值进行返回。

3.3详细控制器的实现

指令控制逻辑，通过OP判断指令，根据指令输出对应的控制信号。ALU控制逻辑通过判断是加法还是比较指令并输出为ALUOP。

四、主要故障与调试

4.1故障现象一以及解决方法

故障现象：

• 原因分析：出现以上故障，是因为本地 cs3410.jar 和测试平台中的 cs3410.jar 路径不一样导致的。
• 解决方案： 将本地的 jar 文件和 cpu.circ 文件在同一目录下，如果出现这个问题，可以调整将本地 cs3410.jar 先移动到 cpu.circ 同目录下后，打开 cpu.circ，logisim 会提示找不到 cs3410.jar，重新指向同目录 cs3410.jar，存盘退出，再重新上传电路文本内容。

4.2故障现象二以及解决方法

• 故障现象：
  
• 原因分析： PC，IR，RegW 等信号全是xxxxx，悬浮态，表明工作文件 CPU.circ 中没有输出对应信号。
• 解决方案： 解决办法复制最新的 cpu.circ 工作文件中的引脚区到测试电路中，并按要求输出对应引脚。

五、体会心得

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，通过指导书的帮助、自己的不断摸索以及与同学老师的探讨，我一步一个脚印，从单周期到多周期，从数据通路与控制信号表格，到模块的逐个编写，从模块单独测试到系统整体测试，我不断努力，最终取得实践的成功。当然，由于时间所限，设计的 CPU 并非完美无缺，还有一些地方可以进一步优化。例如：①可以改变 PC 更新的时机，调整 debug 信号逻辑；②可以尝试不使用双符号位而使用更简易的方法实现 SLTU 指令；③可以从原理上进一步分析，尝试继续优化指令实现的周期安排，尝试更合理地划分数据通路等等。

结束语

希望这篇文章会对大家有帮助，也希望大家在编程的道路上越走越远，早日成为IT届大佬！！！
后续将持续更新，大家的支持就是我创作的动力！！！

就以这篇结束2022年的C站之旅，希望2023年的C站之旅会越来越好。