《計算機組成原理》課程實踐

《計算機組成原理》課程實踐

題目：單周期MIPSCPU設(shè)計

學號：__________

姓名：李興旺

班級：軟件20-1______________

學院：計算機科學與工程學院

山東科技大學

2022年6月

課程實踐：單周期MIPSCPU設(shè)計

1.目的與要求

1）本課程要求根據(jù)所學計算機組成原理的相關(guān)知識，結(jié)合實驗內(nèi)容，基于

EDA環(huán)境設(shè)計一個簡易CPU,并能利用EDA等現(xiàn)代仿真工具建立研究對象的模

型，模擬系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

2）學生掌握控制器設(shè)計的基本原理，能利用硬布線控制器的設(shè)計原理在

Logisim平臺中設(shè)計實現(xiàn)MIPSCPU。

2.實驗內(nèi)容

對照多周期MIPS處理器數(shù)據(jù)通路圖，采用微程序控制器的設(shè)計方法實現(xiàn)控

制器，構(gòu)造多周期MIPS處理器，要求能支持表中的8條MIPS核心指令，最終

設(shè)計實現(xiàn)的MIPS處理器能運行實驗包中的冒泡排序測試程序，該程序自動在數(shù)

據(jù)存儲器0~15號字單元中寫入16個數(shù)據(jù)，然后利用冒泡排序?qū)?shù)據(jù)升序拄序。

實驗電路應(yīng)能自動統(tǒng)計指令數(shù)目、時鐘周期數(shù)。

3.實驗過程與方案

OPCunc

jgoooojfcjOiUiU.OP

(OP][FUNC|[疝塞可

指令烽回信號

ttMIPS指令RTL功能描述

1addSrd.Srs.SrtR[$rd]^-R[$rs]+R[$rt]溢出時產(chǎn)生異常,且不修改R[$rd]

2sitSrd,Srs.SrtR[Srd]<-R[$rs]<R[Srt]小于置1,有符號比較

3addi$rt.$rs.immR[$rt]*-R[$rs]+SignExti6t)(imm>溢出產(chǎn)生異常

4IwSrt.ininUSrs)R[$gl^Mem4B(R[$rs]+SignExti6b(imm))

5swSrt.iinin(Srs)Mem4B(R[$El±SignExti6b(imm))<—R[$rt]

6beqSrs.Srt.immif(R[Srs]=RFSrtnPC-PC+SignExtiM{imm,00})

7bne$rs.$rt.inimif{R[Srs]_t=R[Srt])PC-PC+SignExti8b((inim,00})

8syscall系統(tǒng)調(diào)用，這里用于停機

4.電路框架

####電路引腳

I信號I輸入/輸出位寬I功能描述I

CLK|輸入|1|時鐘信號|

PC|輸出|32|程序寄存器的值|

IRI輸出|32|當前指令字|

RegWritel輸出|1|寄存器文件寫使能控制信號|

RDin|輸出|32|寄存器文件寫入端口的數(shù)據(jù)|

MemWritel輸出|1|存儲器寫使能控制信號|

MDin|輸出|32|存儲器寫入端口的數(shù)據(jù)|

4.實驗電路測試

指令諳倒邃輯

給出WW的海文型ALU_OP與。P、Fune2赳的對（5關(guān)系

給出曾他的涉超女班對防指令許有（8號，LW、SW,BEO.BNE.ADDI.ADD.SLT.SYSCALL,R_TYPE.

注jftRJYPE費示R5?在凝指令，8Y8CALL罡特殊的R型指令，不及于這個類別

31/1全郃通過

一則輸出一——實際輸出——

RMI

PCIRRDinMe?WMLCntPCIRRDfM[

fkrwxnz>ziz>zi1一f0

IzWWWV2010f￡ffffffffff0傲0000066000002910"開f0(

1位00(

fwwyww\/i0e

00000004201100000M0001VWWWM29110060)0f1

000的1

0000000830360200000000001fl000200000008□e300200)0o(

0e吟

1)Me00(

0000000(22100001000000000供0003221000010d

1皿0e(

/wwvwwx<A00

VAAWAAwfVtAAlfvt22310064090000040供OOMwwwXV223100^4)00(

00eg11

0e0(

00000014ae300200000000001佻000500000014ae3002001800(

0Q￡/yxc/ee*

vAAwAQuAwA-AIO22100001000000016WOOwfWWw￥YwW>110Q22100G010(

10o*0

/WWWWWk/^O)005(

0O00001C22310004vwwwOeecOoe7eeeeeeic223100e40e21

00^0

00000020ae300200000000001供0008UWAAWZV■3002001eok00(

0000002422100001000000020供00090060002422100001eeme00(

1*J0

fWWVWVW^^z^/wvwwx*>oeo3e(

0000002822310064WVWWUeM0003www40223100e4631(x

e0e

eeoee02cae366206eeeewwi?oeeo3630020010e00(

me

0000003022100001000000930供000c221000010

1eell)M0

/WVWWW14Ag

0000003422310004WWW1ve僥000d22310004041

00000038ae360200000000031佻000eae3002001)eee0

加

0000003c22100001000000640供000f2210000110

<YZk/*t<*>Z>ZlJI/I

UWVW*v2231000400009014e供eeie22310004

6.實驗總結(jié)與心得

本次實踐作業(yè)通過logisim平臺實現(xiàn)了一個簡易的單周期的MIPSCPU,為了

完成本次實驗，我查詢了大量網(wǎng)絡(luò)資料，對計算機組成原理的基礎(chǔ)知識和一些設(shè)

計電路的方法有了更深刻的了解，并對計算機整體的工作原理等有了更加深刻的

認識與理解，

7.附件(源代碼)

<?xmlversion="1.0"encoding="UTF-8"standalone="no"?>

<projectsource="2.7.1"version="1.0">

ThisfileisintendedtobeloadedbyLogisim().

<libdesc="#Wiring"name="O">

<toolname="Splitter">

<aname="facing"val="west"/>

<aname="fanout"val="4'7>

<aname="incoming"val="4"/>

</tool>

<toolname="Pin">

<aname="facing"val="north'7>

<aname="labelloc"val="north"/>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</tool>

<toolname="Probe">

<aname="facing"val="west"/>

<aname="radix"val="10signed"/>

<aname="labelloc"val="north"/>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</tool>

<toolname="Tunner'>

<aname="facing"val="east"/>

<aname="width"val="32"/>

<aname="label"val="tunnel'7>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</tool>

<toolname="PullResistor">

<aname="facing"val=,'north"/>

</tool>

<toolname="Clock">

<aname="facing"val="north"/>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</tool>

<toolname="Constant">

<aname="facing"val="north"/>

<aname="width"val="3'7>

<aname="value"val="OxO"/>

</tool>

</lib>

<libdesc="#Gates"name="l">

<toolname="Buffer">

<aname="width”val="3"/>

</tool>

<toolname="ANDGate">

<aname="facing"val="west"/>

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

<toolname="ORGate">

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

<toolname="NORGate">

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

<toolname="XORGate">

<aname="inputsHval="2"/>

</tool>

<toolname="XNORGate">

<aname="size"val="30"/>

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

<toolname="OddParity">

<aname="facing"val="south"/>

<aname="inputs"val="3"/>

</tool>

<toolname="ControlledBuffer">

<aname="facing"val="north”/>

</tool>

</lib>

<libdesc="#Plexers"name="2">

<toolname="Multiplexer">

<aname="facing"val="north”/>

<aname="width"val="32"/>

</tool>

<toolname="Demultiplexer">

<aname="select"val="5"/>

</tool>

</lib>

<libdesc="#Arithmetic"name="3">

<toolname="Subtractor">

<aname=*'width"val="16"/>

</tool>

<toolname="Multiplier">

<aname="width"

</tool>

<toolname="Divider">

<aname="width"val="16"/>

</tool>

<toolname="Negator">

<aname="width"val="l"/>

</tool>

<toolname="Comparator">

<aname="width"val="16'7>

</tool>

</lib>

<libdesc="#Memory"name="4">

<toolname="Register">

<aname="width"val="32"/>

</tool>

<toolname="ROM">

<aname="contents">addr/data:88

0

</a>

</tool>

</lib>

<libdesc="#l/O"name="5"/>

<libdesc="#Base"name="6">

<toolname="TextTool">

<aname="text"val="'7>

<aname="font"val="SansSerifplain12"/>

<aname="halign"val="center"/>

<aname="valign"val="base"/>

</tool>

</lib>

<libdesc="jar##ll.nents"name="7">

<toolname="MIPSProgramROM">

<aname="contents"val=""/>

</tool>

</lib>

<mainname="?多周期MIPS（微程序）"/>

<options>

<aname="gateUndefined"val="ignore"/>

<aname="simlimit“val="100（T7>

<aname="simrand"\za\="O"/>

</options>

<mappings>

<toollib="6"map="Button2"name="MenuTool"/>

<toollib="6"map="CtrlButtonl"name="MenuTool'7>

<toollib="6Mmap="Button3"name="MenuTool"/>

</mappings>

<toolbar>

<toollib="6"name="PokeTool"/>

<toollib="6Mname="EditTool"/>

<toollib="6"name="TextTool">

<aname="text"val=""/>

<aname="font"val="SansSerifplain12"/>

<aname="halign"val="center"/>

<aname="valign"val="base'7>

</tool>

<sep/>

<toollib="O"name="Pin">

<aname="tristate"val="false"/>

</tool>

<toollib="O"name="Pin">

<aname="facing"val="west"/>

<aname="output"val=ntrue'7>

<aname="labelloc"val="east"/>

</tool>

<toollib="l"name="NOTGate">

<aname="facing"val="west"/>

<aname=,,size"val="20"/>

</tool>

<toollib="l"name="ANDGate">

<aname=,,size"val="30"/>

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

<toollib="l"name="ORGate">

<aname=,,sizeHval="30"/>

<aname="inputs"val="2"/>

</tool>

</toolbar>

<circuitname="?單周期MIPS(硬布線)”>

<aname="circuit"val="?單周期MIPS(硬布線)”/>

<aname="clabel"val=n"/>

<aname="clabelup"val="east"/>

<aname="clabelfont"val="SansSerifplain12u/>

<wirefrom="(480,550)“to=”(540,550)”/>

<wirefrom="(210370)"to="(210380),,/>

<wirefrom="(570,540)“to=”(610,540)'7>

<wirefrom="(510,510)“to="(510,530)”/>

<wirefrom="(720,650)“to=”(760,650)”/>

<wirefrom="(510,510)“to=”(610,510)”/>

<wirefrom="(170/240)"to="(470f240)'7>

<wirefrom="(710,500)“to=”(820,500)”/>

<wirefrom="(90,500)"to=”(130,500)”/>

<wirefrom="(580,580)“to=”(580,600)'7>

,,

<wirefrom="(90/500)"to="(90/720)/>

<wirefrom="(550,370)“to=”(550,520)”/>

<wirefrom="(140/180)"to="(140,470)"/>

<wirefrom="(180,80rto="(210,80『/>

'"

<wirefrom="(950/540)"to=(970/540)"/>

<wirefrom="(910,540)"to=”(930,540),,/>

<wirefrom="(1010/280)"to="(1030,280)"/>

<wirefrom="(730,570)“to=”(730,610)”/>

<wirefrom="(570,290)“to="(910,290)”/>

<wirefrom="(510,530)“to=”(540,530)”/>

廠/>

<wirefrom="(350/50)"9=”(380,50

',

<wirefrom="(730z670)"to=(760/670)"/>

〈

wirefrom="(330,80)"to="(350/80)"/>

<wirefrom="(1030,180)“to=”(1030,280)”/>

,,

<wirefrom="(940/560)"to="(970/560)/>

',

<wirefrom="(180/530)"to=(200/530)"/>

<wirefrom="(170360)"to="(190360)'7>

<wirefrom="(880/540)"to="(910/540)'7>

',

<wirefrom="(220/490)"to=(240/490)"/>

<wirefrom="(570330)"to="(770330)"/>

<wirefrom="(450,490)“to=”(460,490)”/>

,,

<wirefrom="(370/570)"to=(370/G20)"/>

<wirefrom="(1030,70)“to=”(1040,70)”/>

<wirefrom="(570310)"to="(840310)"/>

<wirefrom="(170/240)"to="(170360)"/>

',

<wirefrom="(840z680)"to=(850/680)"/>

,,

<wirefrom="(1130/520)"to="(1150/520)/>

<wirefrom="(110/620)"to="(370/620)"/>

<wirefrom="(90/720)"to="(920/720)7>

,,

<wirefrom="(910/470)"to=(910/540)"/>

',

<wirefrom="(10/10)"to=(450/10),/>

<wirefrom="(480330)"to="(530330)"/>

<wirefrom="(170360)"to="(170/500)"/>

<wirefrom="(920,690)“to=”(920,720)”/>

<wirefrom="(1140,10)“to="(1140,140)”/>

',

<wirefrom="(800/660)"to=(840/660)"/>

<wirefrom="(200370)"to="(200390)'7>

<wirefrom="(660,590)“to=”(660,610)”/>

<wirefrom="(940300)"to="(960300)"/>

<wirefrom="(940,260)“to=”(960,260)”/>

<wirefrom="(800,210)“to=”(800,250)”/>

<wirefrom="(480,510)“to=”(510,510)”/>

<wirefrom="(950/40)"to="(950/80)'7>

<wirefrom="(370,700)“to=”(850,700)”/>

,,

<wirefrom="(340/570)"to="(370/570)/>

<wirefrom="(430/430)"to="(450/430)"/>

<wirefrom="(570350)"to="(660350)"/>

<wirefrom="(790/580)"to="(820,580)7>

<wirefrom="(210,530)“to=”(230,530)”/>

<wirefrom="(460/510)"to="(460/550)"/>

,,,,

<wirefrom="(1180/530)"to=(1210,530)/>

<wirefrom="(440z490)"to="(450/490)'7>

,,

<wirefrom="(840310)"to=(840/490)"/>

<wirefrom="(950,40)"to=”(960,40『/>

<wirefrom="(900310)"to="(910310)"/>

<wirefrom="(910,560)“to=”(910,610)”/>

〈wirefrom="(10z10)"to="(10z140)'7>

,，

<wirefrom='(480/650)"to="(540,650)7>

<wirefrom="(1040/580)"to="(1040/600)"/>

<wirefrom="(1080/580)"to="(1080/600)"/>

<wirefrom="(450,10)"to="(450/140)"/>

<wirefrom="(10/140)"to="(450/140)'7>

<wirefrom="(230,530)‘,to=”(230,540)”/>

，

<wirefrom="(1110/540)"to="(1150/540)7>

<wirefrom="(45040)Mto="(114040)'7>

<wirefrom="(500/580)"to="(500/730)"/>

<wirefromPOZOMO)"to=”(760,590),7>

<wirefrom="(370,620)“to=”(370,700)”/>

<wirefrom="(210,510)“to=”(210,530),7>

,,

<wirefrom="(50/80)"to="(90/80)/>

<wirefrom="(840/660)"to="(840/680)"/>

<wirefrom="(350,50)"to=”(350,80)'7>

<wirefrom="(490/240)"to="(530/240)"/>

<wirefrom="(860310)"to="(880310)'7>

,,

<wirefrom="(460,550)"to="(460/650)/>

<wirefrom="(1130/470)"to="(1130/520)7>

<wirefrom="(740/40)"to="(740,80)"/>

<wirefrom="(570,270)“to=”(910,270)”/>

<wirefrom="(940,560)“to=”(940,600)”/>

,,

<wirefrom="(730/570)"to="(760/570)/>

<wirefrom="(350,80rtofmo4O)”/〉

<wirefrom="(910,470)“to=”(1130,470)”/>

<wirefrom="(580,580)“to=”(610,580),7>

<wirefrom="(110,480)“to=”(130,480)”/>

<wirefrom="(170/500)"^"(lgO.SOO)">

<wirefrom="(220350)"to="(240350)'7>

',,,

<wirefrom=(890/690)"to="(920/690)/>

<wirefrom="(800,250)“to=”(800,630)”/>

<wirefrom=M(490,70)"to=,,(500,70),,/>

<wirefrom="(270,490)“to=”(280,490)”/>

<wirefrom="(500,730)“to=”(1210,730)”/>

<wirefrom="(500,580)“to="(580,580)”/>

<wirefrom="(810,70)"to="(820/70)"/>

，

<wirefrom="(450/430)"to="(450/490)7>

',

<wirefrom="(580/650)"to=(720/650)"/>

<wirefrom="(1000/580)"to="(1000/630)"/>

h

<wirefrom="(740/40)to="(750/40)"/>

<wirefrom="(610,70)"to="(620/70)"/>

<wirefrom="(270,490)“to=”(270,560)”/>

<wirefrom="(860,250)“to=”(910,250)”/>

〈wirefrom="(140z180)"to="(1030/180)"/>

<wirefrom="(730,610)“to=”(910,610)”/>

<wirefrom="(180,530)“to=”(180,540)”/>

<wirefrom="(660,350)“to=”(660,480)”/>

<wirefrom="(480350)"to="(530350),,/>

<wirefrom="(1160,230)“to="(1160,510)'7>

<wirefrom="(450440)"^"(lUO,UO)"^

<wirefrom="(460,350)“to=”(460,490)”/>

<wirefrom="(110,480)“to=”(110,620)'7>

<wirefrom="(570/250)"to="(800,250)"/>

<wirefrom="(460330)"10="(460350),7>

,,

<wirefrom="(460/490)"to="(460,510)/>

<wirefrom="(200/510)"to="(200/530)"/>

，

<wirefrom="(240z470)"to="(240,490)7>

<wirefrom="(1210,530)“to=”(1210,730)”/>

<wirefrom="(260,580)“to=”(300,580)”/>

,,

<wirefrom=(160/490)"to="(190/490)"/>

<wirefrom="(210380)"to="(240380),7>

<wirefrom="(240/490)"to="(270/490),/>

<wirefrom="(270/560)"to="(300/560)"/>

<wirefrom="(710z570)"to="(730,570)"/>

<wirefrom=',(660350)"to="(690350)"/>

<wirefrom="(910,560)“to=”(940,560)”/>

<wirefrom="(770,330)“to="(770,560)”/>

<wirefrom="(860,250)“to=”(860,310)”/>

<wirefrom="(860310)"to="(860f500)"/>

<wirefrom="(800,630)“to=”(1000,630)”/>

,,',

<wirefrom=(720,590)"to=(720/650)"/>

<wirefrom="(480/490)"to="(610/490)"/>

<wirefrom="(570/230)"to="(1160,230)"/>

<complib="O"loc="(460330)"name="Splitter">

<aname="fanout"val="l"/>

<aname=',incoming"val="32"/>

<aname="appear"val="center"/>

<aname="bitO"val=,'none"/>

<aname="bitl"val="none"/>

<aname="bit2Hval="none"/>

<aname="bit3"val="none"/>

<aname="bit4,'val="none"/>

<aname="bit5"val="none"/>

<aname="bit6"vah'^one"^

<aname="bit7"val="none"/>

<aname="bit8"val="none"/>

<aname="bit9"vak'^one"^

<aname="bitlO"val="none"/>

<aname="bitll"val^none"^

<aname="bitl2"val="none"/>

<aname="bitl3"val="none"/>

<aname="bitl4"val="none"/>

<aname="bitl5"val="none"/>

<aname="bitl6"val="none"/>

<aname="bitl7"val="none"/>

<aname=,'bitl8,'val="none"/>

<aname="bitl9"val="none"/>

<aname="bit20"val="none"/>

<aname="bit21"val="none"/>

<aname="bit22"val="none"/>

<aname="bit23"val="none"/>

<aname="bit24"val="none"/>

<aname="bit25"val="none"/>

<aname="bit26"val="07>

<aname="bit27"val="0"/>

<aname="bit28"val="O'/>

<aname="bit29"val="O"/>

<aname="bit30"val="0'7>

<aname="bit31"val="0"/>

</comp>

<complib="6"loc="(609324)"name="Text">

<aname="text"val^'AluSrcB"^

</comp>

<complib="l"loc="(900310)"name="NOTGate">

<aname="size"val="20"/>

</comp>

<complib=Tloc="(940,300)”name="ANDGate">

<aname="size"val="30"/>

<aname="inputs"val=H2'7>

</comp>

<complib="3"loc="(890/690)"name="Adder">

<aname=',widthuval="32'7>

</comp>

<complib="O"loc="(950,80)"name="Tunnel">

<aname="facing"val="north"/>

<aname="laber,val="MemWrite"/>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</comp>

<complib="O"loc="(750z40)"name="Pin">

<aname="facing"val="west'7>

<aname=,,output"val="true"/>

<aname="laber'val="Reg\A/rite"/>

<anames'labelloc"val="north'7>

<aname="labelfont"val="Dialogplain12"/>

</comp>

<complib="O"loc="(930/540)"name="Splitter">

<aname="fanout"val-'l"^

<aname="incomingHval="32"/>

<aname="appear"val="center"/>

<aname="bitO"val="none'7>

<aname="bitl"val="none*7>

<aname="bit2"val="0"/>

<aname="bit3"val="O"/>

<aname="bit4"val="O"/>

<aname="bit5"val="0'7>

<aname="bit6"val="0'7>

<aname="bit7"val="0"/>

<aname="bit8"val="0"/>

<aname="bit9"val="0"/>

<aname="bitlO"val='*O"/>

<aname="bitll"val="0"/>

<aname="b