计算机组成原理32位MIPS CPU设计实验（指令译码器电路设计 、时序发生器状态机设计、时序发生器输出函数、硬布线控制器）

实验四 32位MIPS CPU设计实验

这次实验是32位MIPS CPU设计实验（单总线CPU-定长指令周期-3级时序)，在头歌当中一共需要我们进行六道题的测试，分别为MIPS指令译码器设计，定长指令周期（时序发生FSM设计，时序发生器输出函数设计，硬布线控制器，单总线CPU设计），硬布线控制器组合逻辑单元。其中由于第六题是对前面五题一个最终的检验，所以我们不需要进行新的设计，这边我按照老师给的提纲分享了以下四个实验的具体设计原理：1、指令译码器电路设计 2、时序发生器状态机（定长指令周期）设计3、时序发生器输出函数（定长指令周期）4、硬布线控制器

1指令译码器电路设计

1.1设计要求

了解指令译码的基本概念，将32位MIPS指令字译码成不同的指令译码信号。利用logisim平台中现有运算部件构建利用比较器等功能模块将32位MIPS 指令字译码生成LW、SW、BEQ、SLT、ADDI、OtherInstr等指令译码信号，早给定CPU中实现支持以上指令的电路

1.2方案设计

1.2.1 指令作用

首先我们需要了解到这六条MIPS指令的作用，其中所有的imm立即数都需要括展到32位
Lw指令作用：从数存（数据存储器）中取数据写进寄存器
Sw指令作用：将寄存器中的值写入数存
Beq指令作用：当寄存器1的值和寄存器2的值相等时发生跳转，跳转的目的地址位当前指令的地址加上符号括展的imm的值
ADDI指令作用：用于寄存器中数值加上常数
Slt指令作用：比较rs和rt两个寄存器中的值，如果rs中的值小于rt中的值，则把rd计算器置一，否则把rd计算器清零

1.2.2 单总线CPU原理

这次使用为单总线CPU
首先我们看以下单总线结构CPU在logisim中的实现，我们可以看到在实际logisim，使用了slt信号控制alu进行比较rs和rt两个寄存器中的值的大小，本次简单的CPU实验，不需要sub信号，但是sub信号在A输入引脚可以进行连接，大家可以在下图寻找，当前并没有使用，psw寄存器只保留了一位equal的控制位，psw中并没有设计其余的状态标记，ALU的每一次运算都会比较x和y，在这边呢，就是A和B引脚输出的两个值的大小是否相等，并通过psw寄存器输出equal信号

1.2.3 指令译码原理

指令译码器是控制器核心功能部件，实现译码功能，负责将指令字翻译成一根根的指令译码信号，每一根指令译码信号代表一条具体的指令，如上图中的I1…Im。根据指令码的特定信息，译码产生指令译码信号，时钟产生器承担了持续控制的功能生成状态周期M和时钟节拍T，控制器利用这些持续信号，对操作信号进行持续调制。

1.2.4 设计思路

将指令寄存器IR送来的32位指令字，生成指令译码信号，当前IR中存放的是哪一种指令，讲过译码器之后，就应该令相应的引脚置一，而其余输出引脚为0
那么这边是利用比较器等功能模块将32位MIPS指令字译码对应生成指令译码信号，用比较器将IR送来的指令字的op字段，和已由分线器提取出的op字段，其中题目将各个op部分对应的常量值已经给出，我们需要对应指令码结构，将对应的op字段送到比较器，相比较之后的输出结果就连到相应的指令当中

1.3实验步骤

1. 打开源程序，查看控制器的输入引脚，还有其他重要的输出引脚
2. 查看指令码结构，与系统自带的op字段，然后进行连接
3. 输出相应经过比较之后输出的指令结果

1.4故障与调试

1.4.1 slt连接问题

故障现象：slt信号的译码条件有两个，连线时发生问题

原因分析：slt信号的译码条件有两个，分别是op和0，以及funct字段的值是固定的十进制44，这两个条件需要同时成立，slt引脚才能输出1，那么两个条件同时成立，连线方式较其他的指令有点复杂
解决方案：在00另一边连的是op，funct旁边连接2a，这样就是正确的连接方式。

1.5测试与分析

溢出测试用例见表 1.3 。
表 1.3溢出信号测试用例
Cnt IR LW SW BEQ ADDI SLT OtherI

1. 0000 2010ffff 0 0 0 1 0 0
2. 0001 20110000 0 0 0 1 0 0
3. 0002 ae300200 0 1 0 0 0 0
4. 0003 22100001 0 0 0 1 0 0
5. 0004 22310004 0 0 0 1 0 0
6. 0005 ae300200 0 1 0 0 0 0
7. 0006 22100001 0 0 0 1 0 0
8. 0007 22310004 0 0 0 1 0 0
9. 0008 ae300200 0 1 0 0 0 0
10. 0009 22100001 0 0 0 1 0 0
11. 000a 22310004 0 0 0 1 0 0
12. 000b ae300200 0 1 0 0 0 0
13. 000c 22100001 0 0 0 1 0 0
14. 000d 22310004 0 0 0 1 0 0
15. 000e ae300200 0 1 0 0 0 0
16. 000f 22100001 0 0 0 1 0 0
17. 0010 22310004 0 0 0 1 0 0
18. 0011 ae300200 0 1 0 0 0 0
19. 0012 22100001 0 0 0 1 0 0
20. 0013 22310004 0 0 0 1 0 0
21. 0014 ae300200 0 1 0 0 0 0
22. 0015 22100001 0 0 0 1 0 0
23. 0016 22310004 0 0 0 1 0 0
24. 0017 ae300200 0 1 0 0 0 0
25. 0018 20100000 0 0 0 1 0 0
26. 0019 2011001c 0 0 0 1 0 0
27. 001a 8e130200 1 0 0 0 0 0
28. 001b 8e340200 1 0 0 0 0 0
29. 001c 0274402a 0 0 0 0 1 0
30. 001d 11000002 0 0 1 0 0 0
31. 001e ae330200 0 1 0 0 0 0
32. 001f ae140200 0 1 0 0 0 0
33. 0020 2231fffc 0 0 0 1 0 0
34. 0021 12110001 0 0 1 0 0 0
35. 0022 1000fff7 0 0 1 0 0 0
36. 0023 22100004 0 0 0 1 0 0
37. 0024 2011001c 0 0 0 1 0 0
38. 0025 12110001 0 0 1 0 0 0
39. 0026 1000fff3 0 0 1 0 0 0
40. 0027 1000ffff 0 0 1 0 0 0
41. 0028 00000000 0 0 0 0 0 1
    

2时序发生器状态机（定长指令周期）设计

2.1设计要求

利用数字逻辑电路相关知识设计定长指令周期的三级时序系统，时序发生器包括状态机和输出函数两部分，设计状态机。
上一关实现了指令译码器后，就可以开始实现上图中的另外一个核心功能模块，时序发生器了，时序发生器内部框图如下图所示，主要包括状态寄存器，状态机组合逻辑，输出函数组合逻辑三部分。其中状态机负责现态与次态的转换，输出函数根据当前状态生成状态周期电位和节拍周期电位。

2.2方案设计

2.2.1时序产生器原理

其实这个原理较为简单，只需要了解这张图片就可以了，我们针对单总线架构cpu设计的定长指令周期的三级时序系统，由机器周期，节拍电位构成。其中机器周期用于表示当前指令处于哪一个周期，取指令周期mif，持续四个周期t，t1,t2,t3,t4之后变为低电平，而同时Mcal计算周期变成高电平，表示指令执行进入了计算周期，然后计算周期经过t1,t2,t3,t4,四个时钟节拍之后，变为低电平无效。同时进入执行周期，执行周期执行完4个节拍之后，又进入到取指周期，以此往复不断的循环，从而实现程序的自动执行，而节拍电位t1,t2,t3,t4。每一个t完成一个微操作

2.2.2状态寄存器原理

作用是把三个状态周期，总共12个节拍的三级时序系统，简化成12个状态来进行表示，如下图所示，用s0表示取指令周期的第一个节拍，以此类推，一共12状态。每一个次态和输入的现态都是加1的关系，本质上是计数器.通过下图我们可以得到m和t与现态之间的关系

2.2.3 设计思路

由此可见，现态和次态的真值表，从而得到次态与输入信号和现态之间的逻辑表达式，从而可以是实现状态机的组合逻辑设计，组合时序只与输入的现态有关系的，所以只需要一个一个的进行累加就行，并且还需要将相应的excel文件填写完成，之后将生成的逻辑表示式输入就可以了

2.3实验步骤

1）清楚了解状态机，知道m和t与现态之间的关系
2）将表格单总线MIPS三级时序产生器逻辑自动生成当中，最左侧的状态转换表填完完成，就是我们实现状态机设计，所对应的真值表，这个表我们只需要填写现态，为十进制的现态值，以及十进制的次态值就可以了，其中现态二进制s3-s0的值，与次态n3-n0的值会自动生成
填写完成如下表

3）通过表格触发器输出函数，自动生成逻辑表达式，复制我圈起来部分的内容，将其粘贴到logisim当中
4）点击logisim当中的时序发生器状态机（定长指令周期），然后点击分析组合逻辑电路

5）将在文件中复制的逻辑表达式，按照n3-n0的顺序，粘贴到下图当中，全部输入之后，点击生成电路
6）点击生成电路，进行测试

2.4故障与调试

这个实验没有遇到问题，较为简单

2.5测试与分析

测试用例如下，实验电路通过所有测试用例

3时序发生器输出函数（定长指令周期）设计

3.1设计要求

理解传统三级时序系统中时序发生器的基本原理，设计定长指令周期的时序发生器状态机以及输出函数。利用数字逻辑电路相关知识设计定长指令周期的三级时序系统，时序发生器包括状态机和输出函数两部分，上一实验完成了状态机的设计，这一实验要求我们实现输出函数的设计部分，设计实现输出函数组合逻辑。

3.2方案设计

3.2.1实际产生器原理

实际发生器组合逻辑，是根据当前输入的现态输出Mif，Mcal，Mex，以及T1到T4的节拍电位，与状态机用同样的方法填写，四个事态为一周期，其中第一阶段Mif=1，T1-T4依此为1，第二阶段，Mcal=1，其他置零，第三阶段，Mex=1.填写同一个表格当中的输出函数表，填好这个表之后，通过输出函数自动生成，表中可以自动获取我们的Mif，Mcal，Mex，T1到T4的逻辑表达式了，把相应的逻辑表达式复制之后，思路与下图相同

3.2.1设计思路

据当前输入的现态输出Mif，Mcal，Mex，以及T1到T4的节拍电位，与状态机用同样的方法填写，填写同一个表格当中的输出函数表，填好这个表之后，通过输出函数自动生成，表中可以自动获取我们的Mif，Mcal，Mex，T1到T4的逻辑表达式了，帮相应的逻辑表达式复制之后， 开始运行

3.3实验步骤

1）了解实际产生器原理，得出每个时期内Mif，Mcal，Mex在不同周期内数值的变化情况
2）根据上一步的数值的变化，将文件表中的输出函数真值表填写完成

3）将表填写完成之后，将其自动生成函数输入进logisim

4）运行电路进行检测

3.4故障与调试

3.4.1 复制出错

故障现象：输出函数真值表填写正确，但是在头歌网进行测评时，答案不正确

原因分析：再次检查函数真值表的填写，发现的确是正确的，那说明只能是复制错了
解决方案：再进行一次复制，结果正确

3.5测试与分析

测试用例如下，实验电路通过所有测试用例

4硬布线控制器设计

4.1设计要求

理解传统三级时序系统中硬布线控制器的设计原理，设计硬布线控制器组合逻辑单元，在实现了指令译码逻辑、时序发生器主要功能部件后，进一步设计实现控制器核心模块硬布线控制器组合逻辑单元

4.2方案设计

4.2.1设计思路

在实现了指令译码逻辑、时序发生器主要功能部件后，进一步设计实现控制器核心模块硬布线控制器组合逻辑单元, 列出所有微操作信号的产生条件，填写下面的excel表格，自动生成逻辑表达式，然后再Logisim中自动生成电路。

4.2.2硬布线控制器组合逻辑

在设计完上面的两个实验之后，就需要设计硬布线控制器的核心组合逻辑单元了，由于时序产生器以及承担了时序控制功能，所以硬布线控制器就变成了一个存组和逻辑，每一个控制信号c都是指令。所以我们只需要弄清楚各个操作控制信号其所产生的调节，就可以得到他们的逻辑表达式

4.2.3信号产生条件

如下图所示，通过前面的数据通路分析，得到五条不同指令，在取指令周期，计算周期，执行周期的不同节拍中，会给出不同的控制信号。这边是所有控制信号的产生条件，需要将下面两图结合来看。所有的控制信号的逻辑表达式，cpu电路重法所有控点的逻辑表达式，是需要经过化简得

4.3实验步骤

1）理解上面两图
2）进行表格状态的填写
3）将生成的表达式复制进logisim,生成电路
4）然后进行测评

4.4.1 复制出错

故障现象：输出函数真值表填写正确，但是在头歌网进行测评时，答案不正确

原因分析：再次检查函数真值表的填写，发现的确是正确的，那说明只能是复制错了
解决方案：再进行一次复制，结果正确

4.5测试与分析

测试用例如下，实验电路通过所有测试用例