单周期CPU设计2018版体会.doc

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1、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DavidA.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

2、.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=Cn⊕Cn-1；CF=Cout⊕Cin。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

3、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1.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2.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

4、、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。1.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

5、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Mars4.5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Mars4.5软件，用Edit编辑汇编源代码，后缀是.asm3.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。1.需要设置mars界面中setting的MemoryConfigration，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

6、位置。2.程序汇编后可以利用File菜单中的DumpMemory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“v2.0raw”即可在logisim中加载到ROM或RAM。1.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

7、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程序测试表存储器地址结果数据1#2#3#4#5#6#7#输入数据S1输入数据S2addsubsubusltsltu测试110测试200测试37ffffffd7ffffffd01测试400测试5相等数据，测试Beg指令正确说明：对于测试2中的测试数据（对两个都是负数的测试数据），s

8、lt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