Logisim平台上的单周期和多周期MIPSCPU设计（计组课设）

目录

实验一、单周期MIPS CPU的设计

1.实验目的

2.主要任务

3.实验过程

4、电路图及相关说明

5、实验数据测试与截图

实验二、多周期MIPS CPU的设计 

        1.实验目的

2.主要任务

3、实验过程

4.电路图及相关说明

5.实验数据测试与截图

实验心得

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实验一、单周期MIPS CPU的设计

1.实验目的

--掌握硬布线控制器设计的基本原理

--在Logisim平台中设计实现MIPS单周期CPU

2.主要任务

--绘制单周期MIPS CPU数据通路：对应子电路图“单周期MIPS（硬布线）”

--实现单周期硬布线控制器（纯组合电路）：对应子电路图“单周期硬布线控制器”

--测试联调

3.实验过程

步骤一.构建单周期MIPS主机通路

 

步骤二.单周期硬布线控制器的设计

 

 

以下是本实验用到的指令译码

 

 

 

 

 

 

 

步骤三.CPU测试

利用Logisim中的电路仿真对八条指令进行单独测试以及一个排序算法的测试，可利用时钟单步和时钟连续来进行对指令的执行。

4、电路图及相关说明

单周期MIPS通路

指令存储器: 用于存储在程序计数器 (PC) 指向的地址处的指令代码。CPU从指令存储器中读取基于 PC 的指令，并将其送到下一个级别的组件处理。

程序计数器: 存储当前正在执行的指令的内存地址。CPU通过对 PC 加 4 生成下一条指令的内存地址。

控制单元: 确定当前指令的操作类型，并控制数据通路中其他组件的操作。控制单元根据指令的操作码(pr_opcode)生成操作控制信号，并将其传递给下一个级别的组件。

寄存器文件: 由 32 个 32 位通用寄存器组成。对于一个指令的寄存器操作数，寄存器文件可以读取数据或将数据写入寄存器。

ALU (算术逻辑单元, Arithmetic Logic Unit): 执行算术操作、逻辑操作和移位操作。ALU从寄存器中的数据和立即操作数进行计算，并将结果写回寄存器。

数据存储器: 存储程序中的数据。当指令需要从或向存储器中读取或写入数据时，数据存储器接收来自寄存器或立即数的数据，并将其写入或从所需内存地址读取数据。

符号扩展器: 根据指令中的立即数生成 32 位数。当指令操作需要进行有符号扩展操作时，符号扩展器将 16 位数扩展为 32 位数。

Mux (复用器): 令 CPU 能够将不同的输入数据传输到 ALU、寄存器文件、数据存储器和 PC 等组件。这个组件可以为总和设置多个输入，并在根据指令类型或其他因素选择不同的输入。

 

控制信号电路

指令译码电路

比较器用于比较指令中的操作码 (opcode) 和功能码 (funct)。比较器将操作码和功能码与预定义的值进行比较，生成相应的比较结果信号。如果操作码或功能码与预定义的值匹配，则输出为 1，否则为 0。

与门用于将多个比较结果信号组合起来形成更复杂的逻辑条件。例如，可以将两个比较结果信号相连，以便仅当两个比较器的结果都为 1 时，与门的输出才为 1。

或门用于将多个逻辑条件合并为一个条件。例如，可以将两个与门的输出信号相连，以便仅当这两个信号中至少有一个为 1 时，或门的输出才为 1。

控制器电路

比较器用于比较指令中的算术操作码，生成相应的比较结果信号。例如，从指令中提取的操作码可能对应于加法操作、减法操作、逻辑与操作等。

或门用于将多个比较结果信号组合成更复杂的逻辑条件。例如，可以将两个比较结果信号相连，以便仅当这两个比较器的结果中至少有一个为1时，或门的输出才为1。

多路选择器接收来自比较器、或门等的信号，并决定 ALU 应该执行哪种操作。例如，当 ALUOp 为 00 时，多路选择器将选择 ADD 操作；当 ALUOp 为 01 时，多路选择器将选择 SUB 操作。

通过或门，将一些单独的控制信号合并成传向 ALU 的控制信号。例如，RegDst 控制信号用于选择 ALU 结果存储的寄存器，而 RegWrite 控制信号用于指示 ALU 是否将其执行结果写入寄存器。

5、实验数据测试与截图

#测试syscall功能，$v0=10,停机，$V0=34，显示￥a0的值

对应的指令字为：0000000c

Func的值为001100（12）

#测试addi指令，分别将3~31号寄存器修改为0xffffff03,0xffffff04  ...0xffffff1f

#测试add指令，分别将3~31号寄存器修改为0x03,0x04  ...0x1f

#测试beq指令，第一次beq应该不跳，第二个应该跳转

#测试bne指令，第一次bne应该不跳，第二个应该跳转

#测试slt指令，第2条指令应该将$3置位为1，第3条指令将$3复位为零

#测试sw指令，写入3个数据，base=128，offset=-32,0.32, 写入数据位e0,-1,-32

#测试lw指令，写入1个数据，读出一个数据，6号寄存器应该为-1

#本程序实现（字节地址0x200，字地址0x80）开始的8个字单元的降序排序

实验二、多周期MIPS CPU的设计 

1.实验目的

-熟悉多周期MIPS CPU设计原理

-掌握微程序控制器的基本原理

-利用微程序控制器的设计实现多周期MIPS处理器

2.主要任务

绘制多周期MIPS CPU数据通路

实现微程序控制器

测试联调

3、实验过程

步骤一.构建MIPS主机通路

 

步骤二.实现微程序地址转移逻辑

其实现的功能为根据指令译码的结果，得到其微程序的入口地址

 

由指令状态变换图可得
R_Type的微程序入口地址为7；ADDI的微程序入口地址为11
LW的微程序入口地址为2；SW的微程序入口地址为5
BEQ的微程序入口地址为7；BNE的微程序入口地址为10
SYSCALL的微程序入口地址为13
利用微程序地址转移逻辑自动生成自动生成逻辑表达式

将表达式输入至组合逻辑电路分析表达式中，即可自动生成微程序地址转移逻辑。

步骤三.设计微程序控制器

 

根据状态图构建微程序,得到总的微指令

步骤四. CPU测试

利用Logisim中的电路仿真对一个排序算法进行测试

4.电路图及相关说明

多周期MIPS通路

微程序地址转移逻辑电路

ALU控制器
当AluOP=5时,ALU执行加法；当AluOP=6,ALU执行减法；当AluOP=（0B）H时执行有符号数比较。

 

5.实验数据测试与截图

在存储器中载入排序程序与sort.hex。

多周期的指令和数据存放在同一寄存器中

载入的程序与单周期MIPS控制器相同，说明它们的功能相同，只是实现的方式不同

程序停机后查看数据存储器中的排序情况有符号降序排列

 

  

实验心得

在单周期MIPS CPU设计实验中，我学到了单周期CPU的基本结构和实现方法。它的主要特点是能够同时执行一条指令，因此每个指令在执行前要完成多个步骤，例如取指、译码、执行、写回等。这些步骤会组成一个时钟周期。在实现时，我首先学习了指令格式，然后设计了控制器来实现不同指令的不同操作，同时利用组合逻辑和时序逻辑来完成指令的各个步骤。最后，我测试了CPU的正确性，并通过运行一些程序验证了它的性能。

在多周期MIPS CPU设计实验中，我学到了多周期CPU的优点和实现方法。它的主要特点是利用多个时钟周期执行一条指令，因此每个指令分成了多个阶段，例如取指、译码、执行、访存、写回等。这些阶段可以分成不同的时钟周期来完成。在设计时，我首先学习了指令格式和流水线结构，然后分阶段实现了控制单元、数据通路和存储器等部件。最后，我测试了CPU的正确性，并通过运行一些程序验证了它的性能和运行效率。

总的来说，单周期MIPS CPU和多周期MIPS CPU的设计实验让我对CPU的内部结构和运行原理有了更深入的了解。通过实践，我发现单周期CPU相对来说更简单、易于实现，但性能较低；而多周期CPU虽然更复杂，但能够有效提高运行效率，适用于更高性能的系统中。两种实验都让我对硬件电路的设计有了更深刻的认识，也让我对计算机系统结构方面有了更全面的了解。