计算机组织与结构专题实验报告 MIPS单周期处理器的设计
学生姓名 赵荣建 专业班级 计算机45班 学 号 2140505119 指导教师 姜欣宁 完成日期 2017-05-09
一.实验目的
根据所学的CPU组成原理，自主设计一个MIPS32位的单周期处理器。
二.设计方案
参照计算机组成原理教材上的MIPS32位处理器的工作原理。 1.构建数据通路
取指令 指令译码 指令执行 存储器访问 结果写回
取指周期：
a.从指令寄存器PC输出端得到地址 b.送地址到指令存储器IM地址端A c.从指令存储器IM的数据端RD得到指令
d.计算下地址：通过运算器，PC+4形成下地址，送回到PC。
2. .MIPS 寄存器集：定义了32个32位的寄存器
3.MIPS三种指令格式：R-类型、I-类型和J-类型
R-类型格式：
* 所有指令操作吗OP都是0；特定操作由funct决定。
* 机器语言指令中，字段分配格式如上图；前两个寄存器rs、 rt
是源寄存器，rd是目的寄存器。而在汇编语言格式中，第一个 寄存器是目的寄存器。
如：add $t0，$s4，$s5 #[rd]=[rs]+[rt]，[t0]=[s4]+[s5]; I-类型格式：
* 指令含4个字段；op, rs, rt 和 imm
* 有两个寄存器操作数和一个16位立即数操作数，
一些指令中，rt也可作为源寄存器。 J-类型格式：
* 有一个26位立即数操作数，扩展后形成目的地址。
4.算逻单元ALU的设计
<<210Add<<2JumpMemToReg4Add01ControlMemReadMemWriteBranchALUopALUsrcRegWriteInstructionMemoryPC0R1Rdata132R21Register FileW1WdataALU32zeroResult32AddrRdata20132DataData0321Memory3Wdata{15~0}sign32extend2ALUcontrol6{5~0}ALU工作原理图
BA321zeroALU3232Result* 两级控制：通过系统控制器（Control）
3ALUoperFunc6ALUcontrol2ALUop 和运算器控制器（ALU Control）产生 ALU的控制信号：ALUoper
* ALU控制信号对照表：
ALUop Func（来自R型指令的func字段） 操作 ALUop1 ALUop2 F5 0 0 1 1 1 1 1 0 1 × × × × × × × × × × × × F4 × × × × × × × F3 × × 0 0 0 0 1 F2 × × 0 0 1 1 0 F1 × × 0 1 0 0 1 F0 × × 0 0 0 1 0 010:ADD 110:SUB 010:ADD 110:SUB 000:AND 001: OR 111:SLT 5.单周期数据通路的构建
1）构件：PC、指令存储器、寄存器文件RF和数据存储器； 2）取指令的过程：PC→IM: A/RD
3）取源操作数的过程： IM:RD→RF:A1/RD1。
4）立即数的符号扩展的过程：
IM:RD(Instr:15:0)→Sign Extend（15:0→Signimm31:0）；