MIPS单周期CPU设计2018版体会

11条MIPS指令单周期CPU设计

2018元月份，我按照袁春风老师的第三版教材，又重新设计了11条MIPS 指令的单周期CPU。这次的设计与我2017年7月份的单周期CPU还是有些区别。2017年7月份设计的CPU主要是参考《计算机组成与设计-硬件/软件接口David A.Patterson》。

设计中的几点体会如下：

一．基本流程

1.首先要分析清楚这11条指令的格式和特点。按照MIPS指令的格式和特

点，完全掌握它们的功能和执行的过程。

2.这些指令执行过程中需要哪些硬件部件和控制信号，这些部件如何连接

构成数据通路。

3.对所有需要的控制信号进行归纳分析，列出真值表，设计相应的控制电

路。

二．具体设计过程

1.ALU的设计。ALU的设计重点在于先设计出32位的加法器，减法运算是利用

加法的“变反加一”。同时要产生各种运算结果的信号：溢出（OF）、进位（CF）、符号位（SF）、零符号位（Zero）。OF=C n⊕C n-1；CF=C out⊕C in。至于需要其它的运算指令，如逻辑运算、移位运算、乘除法运算，都可以直接调用logisim库中的器件，添加到ALU中，这些运算的结果可以同时产生，只是最后用多路选择器来选择那种指令的结果输出，用的控制信号是OPctr。在ALU中需要设计一个控制信号生成部件，用于产生ALU内部需要的各种控制信号。见袁春风老师教材P155。（第一次实验：ALU部件的设计）（ALU设计中，现在的加法器只是串行的，可以让好的学生用先行进位加法器）

图1：ALU电路图

2.设计寄存器部件。设计一个32个*32位的寄存器部件。两路输入和两路输出，

可读写。（第二次实验：寄存器部件的设计）

图2：寄存器电路图

3.数据通路的设计。通路的设计不能急于求成，要一条指令一条指令来分析和

设计。首先设计R-type中的add、sub、subu、slt、sltu等的通路。要注意是否要判断溢出。在此基础上，再分析I-type带立即数运算指令的数据通路，分析出需要添加哪些部件。再分析sw、lw指令的数据通路，分支指

令的数据通路，无条件跳转指令的数据通路。通过逐步添加部件，最后就实现了整个数据通路。其实添加新部件的过程，就是不断添加多路选择器的过程。

4.控制器的设计。分析设计完成了数据通路，就知道所需要的所有控制信号。

按照信号产生的条件，就可以写出真值表P166、P167，产生逻辑电路，即控制器。其实控制器的设计过程，就是写真值表。（第三次实验：单周期CPU 的设计）。

图3： 11条指令的单周期CPU电路图

三． Logisim的使用

同学们自己网上查找资料。

四. 编写测试程序（test_11.asm）

1.利用用Mars 4.5软件编写测试程序。测试程序使用自己设计的11条MIPS指令来实现。

2.打开Mars 4.5软件，用Edit编辑汇编源代码，后缀是.asm

3.汇编源代码程序编写完成后，用Run菜单中的Assemble 进行汇编，得到机器代码。

4.需要设置mars界面中setting的Memory Configration，将内存模式设

置为下图的模式，这样数据段起始位置就是0开始的位置。

5.程序汇编后可以利用File菜单中的Dump Memory功能将代码段和数据段

导出，采用十六进制文本的方式导出到某个文本文件，然后在文件第一行加入“v2.0 raw”即可在logisim中加载到ROM或RAM。

6.将test_11文件加载到指令存储器，在数据存储器第1、2号单元中输入

指定的数据，执行测试程序，再查看运行结果，验证程序运行是否正确。

Add、sub是加减指令，判断溢出，如有溢出，则不保存运算结果；

Subu是减法指令，但不判断溢出；

Slt是有符号数比较大小、sltu是无符号数比较大小。

具体见教材P155，表5.2

用于测试的数据表如表1

可以用test_11程序和表1中的数据来验证学生设计的CPU是否能正确运行。（只需要在数据存储器中的1#和2#单元输入测试数据，在第3#--7#号单元中查看运算结果是否正确）

表1：test_11程序测试表

说明：对于测试2中的测试数据（对两个都是负数的测试数据），slt指令的结果与分析的实际结果不同。

两次CPU设计之间的差别

主要差别有下列几点：

1.ALU的实现（alu-11）。2017版是参考华科的实验。可实现的算术运算、逻辑

运算、移位等指令条数较多。加减溢出判断是自己采用真值表来实现的。2018版是按照袁老师P155实现的。第一个实验（11条指令的ALU设计）就准备让学生这样实现。

2.取指令部件的实现（fetch_IR）。2017版中有BEQ指令，但没有实现JUMP指

令。2018版都实现了。实现的思想是基于袁老师的P161图5.20，但具体细节有修改。把PC30位改为了32位，原因是所用的存储器字长为32位（4字节），一条MIPS指令就只占用一个存储单元，所以每次PC地址直接加“1”

即可，无需再去掉低两位。

a)JUMP跳转指令的高位就是PC<31：26>，而不是PC<31：28>。

3.控制器采用了主、辅控制器分开实现。主控制器（OP_ctr）利用P166表5.4

和表5.5来实现的，直接用真值表生成电路。但多增加了R-type信号。辅助控制电路（func_ctr）用来产生R型指令的ALUctr信号。

4.位扩展部件（16-32extend），增加了ExtOp控制端，用于零扩展或者符号扩

展控制。

5.数据存储器是采用系统提供的器件。Str引脚连接存储器写信号，ld引脚连

接存储器读信号。

6.编写测试程序（test_11.asm），含所有11条指令，测试通过。