新增ADD指令+J指令，单总线结构 MIPS 处理器：微程序控制器+硬布线控制器

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一、新增ADD指令：

1、如下图是新增ADD后的指令译码器：

相信很多童鞋会在这步卡住，认为ADD的OP码为000000，便只更改了这一处。

殊不知对于R型指令（ADD），还需要更改FUNCT码，而ADD的FUNCT码为100000。

只有当OP码和FUNCT码同时成立时才执行ADD指令。

因此修改方式是：将OP码与000000相比较，将FUNCT码与200000相比较，因为同时成立在执行ADD，因此将这两道信号进行“与”操作，因此用与门进行连接。

2、如下图是微程序自动生成add指令（空表）：

控制信号根据课本上填写，需要注意的是下址字段需要填写。

对应的下址字段是第二列微地址+1，第27条微地址，下址字段为0（原因是下址字段指示了下一条指令的微地址，例如：第25条指令的下一条指令是第26条，因此下址字段填写的是26，而27条指令是最后一条指令，要返回第一条0号指令，因此下址字段填写0）。

所获得的3条指令如下图：

3、最后修改微程序的入口查找逻辑，这个比较简单，不过多赘述：

 

最终的微程序入口查找逻辑如下图所示：

 

二、新增J指令：

先稍微解释一下J指令要实现的功能：第一步：取出(PC+4)的高4位，第二步：取出26位的立即数，然后将立即数左移2位，获得28位的二进制数。第三步：将第一、二步获得的结果拼接，得到一个32位的地址（至于为什么要是32位的地址，是因为单总线MIPS处理器采用的是32位的地址）。

如下图就是J指令的功能描述：

个人感觉新增J指令比较难的部分是在微指令自动生成逻辑上，课本上并没有直接给出J指令的微指令，因此需要稍加思考和分析。 

首先J指令的执行分为三个周期：

第1个周期：从PC（程序计数器）中取出指令的PC值（PCout)，然后将取出的PC值存入X寄存器（Xin)。（至于为什么存入X寄存器，因为X寄存器是作为ALU运算的一个数据来源，简而言之就是方便后续计算）。

第二个周期：将立即数imm26从指令寄存器IR中引出，因为已要求需要新增一个控制信号，所以用Imm来表示。同时完成拼接运算，注意到拼接运算包含了左移2位，题目要求只增加一个控制信号，所以用Alu来表示。

 

 第三个周期：将拼接的结果，输出到内总线上（Zout）（至于这里为什么用Z寄存器，因为如上图所示，Z寄存器存储了ALU运算的结果，需要注意的是Z寄存器没有输入控制，因此每个时钟都会自动锁存新值。同时需要理解Zout，是由寄存器向内总线输出数据，这个out是相对寄存器自身而言的！）。然后PC接收新的地址，作为将要执行指令的字节地址。

可能有童鞋会有疑惑，为什么没有用到寄存器AR和IR，因为AR通常用来保存CPU访问主存的单元地址，IR则是用于保存从主存中取出的指令字，而在这里并没有访问主存，如果访问AR和IR反而拖慢了程序的执行。

新增2个控制信号Imm和J

 获取指令字的低26位，如果Imm为1，三态门打开，则将26位立即数传入总线。

也可以用如下修改方法：

修改Alu：增加J的输入引脚和隧道，优先编码器中新增的J隧道控制MUX的第4路，第4路用于拼接运算：具体原理是：获取Y的整体数据左移2位后得到的低28位（立即数），获取X（存储PC值）的数据的高4位，再利用分线器将低28位和高4位进行拼接，成为32位的地址。

 

如下图，在数据通路要修改ALU运算器，新增A端口的J指令：

分别填入J指令三个周期的控制信号，将指令十六进制填入微指令集合，装入控制存储器

   

J型指令OP码为000010，十六进制02，在指令译码器（ID）的输出引脚增加J指令

修改微程序控制器，新增J型指令的指令译码信号，如下图：

 

接下来修改入口查找逻辑：按照指导填写表格，注意ADD指令占3个周期（25~27），J指令同样占3个周期（28~30），将表达式输入组合电路逻辑分析：

 

如下图是自动生成的入口查找逻辑，支持7条指令：

修改微程序控制器，在微程序入口查找逻辑输入端增加J型指令，如下图

 

修改控制存储器中的指令长度为32位，修改分线器位宽和端口数为32位，新增了2位控制信号，控制信号共计24个。

 

下图是程序运行的结果：

Test3：

 

sort_sum_mips_bus.hex：

 兄弟们，以上就是我计算机组成原理必做实验的答案，看完是不是应该点个赞收藏一下呢！

三、单总线结构MIPS处理器（硬布线控制器）（新增ADD指令）

四、单总线结构MIPS处理器（硬布线控制器）（新增J指令）

 

 

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