CPU设计实验报告

实验中央处理器的设计与实现

一、实验目的

1、理解中央处理器的原理图设计方法。

2、能够设计实现典型MIPS的11条指令。

二、实验要求

1、使用Logisim完成数据通路、控制器的设计与实现。

2、完成整个处理器的集成与验证。

3、撰写实验报告，并提交电路源文件。

三、实验环境

VMware Workstations Pro + Windows XP + Logisim-win-2.7.1

四、操作方法与实验步骤

1、数据通路的设计与实现

数据通路主要由NPC、指令存储器、32位寄存器文件、立即数扩展部件、ALU、数据存储器构成。其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的ROM和RAM元件直接完成，其余部件的设计如图所示：

图1.1 NPC

图1.2 32位寄存器

图1.3 立即数扩展部件

图1.4 ALU

2、控制器的设计与实现

控制器的主要设计思想如图所示

图2.1 控制器设计思想

输入000000 001101 100011 101011 000100 000010

输出R-type ORI LW SW BEQ JUMP RegDst 1 0 0 x x x ALUSrc 0 1 1 1 0 x MemtoReg0 0 1 x x x RegWrite 1 1 1 0 0 0 MemWrite0 0 0 1 0 0 Branch 0 0 0 0 1 0 Jump 0 0 0 0 0 1 Extop x 0 1 1 1 x ALUop2 1 0 0 0 0 x ALUop1 x 1 0 0 x x ALUop0 x 0 0 0 1 x ALUop[2:0] Funct[3:0] 指令ALUctr[2:0] 111 0000 add 010

111 0010 sub 110

111 0100 and 000

111 0101 or 001

111 1010 slt 111

010 xxxx ori 001

000 xxxx Lw/sw 010

011 xxxx beq 110

表2.1 控制器设计真值表

图2.2 控制器

3、处理器的集成与验证

集成：将各个部件按要求链接，具体方式如图所示：

图3.1 CPU

验证：将指令的16进制表示输入指令存储器，运行后记录寄存器中的数据与标准值进行对照：

图3.2 寄存器对照值

图3.3 寄存器实际运行值

由上两图对照可得CPU的功能实现成功。