类MIPS单周期微处理器设计
实验报告
专业：电子信息工程 班级：卓越1201班 学号： U201213500 姓名： 钟 远 维
一、 实验目的
1. 2. 3. 4.
了解微处理器的基本结构
掌握哈佛结构的计算机工作原理 学会设计简单的微处理器
了解软件控制硬件工作的基本原理
二、 实验任务
利用HDL语言，基于Xilinx FPGA nexys4实验平台，设计一个能够执行以下MIPS指令集的单周期类MIPS处理器，要求完成所有支持指令的功能仿真，验证指令执行的正确性，要求编写汇编程序将本人学号的ASCII码存入RAM的连续内存区域
——支持基本的内存操作如lw，sw指令
——支持基本的算术逻辑运算如add，sub，and，or，slt，andi指令 ——支持基本的程序控制如beq，j指令
三、 微处理器各模块设计
M0UX1M1UX0+PC的高4位32位28位4 add26位 add左移两位M1UX0左移两位指令[25:0]指令[25:21]指令[20:16]1MU0XPC指令[15:11]指令写数据寄存器1数据读寄存器1地址读寄存器2地址寄存器2数据写寄存器地址MUX ALUzero寄存器组数据总线数据总线地址总线指令[15:0]地址总线16位符号扩展32位ALU控制译码数据存储器指令存储器RegDst指令[5:0]RegWrite指令[31:26]控制器ALUSrcALUOp[1:0]MemToRegMemWriteMemReadBranchJump
各模块的框图结构如上图所示。由图可知，该处理器包含指令存储器、数据存储器、寄存器组、ALU单元、符号数扩张、控制器、ALU控制译码以及多路复用器等。图中还忽略了一个单元：时钟信号产生器，而且以上各个部件必须在时钟信号的控制下协调工作。
1. 指令存储器的设计
指令寄存器为ROM类型的存储器，为单一输出指令的存储器。因此其对外的接口为clk、存储器地址输入信号（指令指针）以及数据输出信号（指令）。
（1）在IP wizard 中配置ROM，分配128个字的存储空间，字长为32位宽。
（2）选择输入具有地址寄存功能，只有当时钟上升沿有效时，才进行数据的输出。
（3）配置ROM内存空间的初始化COE文件。最后单击Generate按钮生成IROM模块。
2. 数据存储器的设计
数据存储器为RAM类型的存储器，并且需要独立的读写控制信号。因此其对外的接口输入信号为clk、we、datain、addr；输出信号为dataout。 数据存储器基本建立过程同ROM的建立。
3. 寄存器组设计
寄存器组是指令操作的主要对象，MIPS中一共有32个32位寄存器。在指令的操作过程中需要区分Rs、Rt、Rd的地址和数据，并且Rd的数据只有在寄存器写信号有效时才能写入，因此该模块的输入为clk、RegWriteAddr、RegWriteData、RegWriteEn、RsAddr、RtAddr、reset；输出信号为RsData、RtData。
由于$0一直输出0，因此当RsAddr、RtAddr为0时，RsData以及RtData必须输出0，否则输出相应地址寄存器的值。另外，当RegWriteEn有效时，数据应该写入RegWriteAddr寄存器。并且每次复位时所有寄存器都清零。 代码如下： module regFile(
input clk, input reset,
input [31:0] regWriteData, input [4:0] regWriteAddr, input regWriteEn, output [31:0] RsData, output [31:0] RtData, input [4:0] RsAddr, input [4:0] RtAddr );
reg[31:0] regs[0:31];
assign RsData = (RsAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RsAddr]; assign RtData = (RtAddr == 5'b0)?32'b0:regs[RtAddr];
integer i;
always @(posedge clk) begin if(!reset) begin if(regWriteEn==1) begin regs[regWriteAddr]=regWriteData; end end else begin for(i=0;i<31;i=i+1) regs[i]=0; regs[31]=32'hffffffff; end end endmodule
4. ALU设计
在这个简单的MIPS指令集中，微处理器支持add、sub、and、or、slt运算指令，需要利用ALU单元实现运算，同时数据存储指令sw、lw也需要ALU单元计算存储器地址，条件跳转指令beq需要ALU来比较两个寄存
器是否相等。所有这些指令包含的操作为加、减、与、或小于设置5种不同的操作。
该模块根据输入控制信号对输入数据进行相应的操作，并获得输出结果以及零标示，由于MIPS处理器ALU单元利用4根输入控制线的译码决定执行何种操作，因此该模块的接口为： 输入：input1(32bit),input2(32bit),aluCtr(4bit) 输出：zero(1bit),alluRes(32bit) 代码如下： module ALU(
input [31:0] input1, input [31:0] input2, input [3:0] aluCtr, output [31:0] aluRes, output zero );
reg zero;
reg[31:0] aluRes;
always @(input1 or input2 or aluCtr) begin case(aluCtr) 4'b0110: begin aluRes=input1-input2; if(aluRes==0) zero=1; else zero=0; end 4'b0010: aluRes=input1+input2; 4'b0000: aluRes=input1&input2; 4'b0001: aluRes=input1|input2; 4'b1100: aluRes=~(input1|input2); 4'b0111: begin if(input1