实验 中央处理器的设计与实现
一、实验目的1、理解中央处理器的原理图设计方法。
2、能够设计实现典型 MIPS的 11 条指令。
二、实验要求
1、使用 Logisim 完成数据通路、控制器的设计与实现。
2、完成整个处理器的集成与验证。
3、撰写实验报告，并提交电路源文件。
三、实验环境
VMware Workstations Pro + Windows XP + Logisim-win-2.7.1
四、操作方法与实验步骤
1、数据通路的设计与实现
数据通路主要由 NPC、指令存储器、 32 位寄存器文件、立即数扩展部件、 ALU 、数据存储器构成。其中指令存储器和数据存储器可直接调用软件库中的 ROM 和 RAM 元件直接完成，其余部件的设计如图所示：
图 1.1 NPC
1.2 32 位寄存器
图 1.3 立即数扩展部件
图 1.4 ALU
2、控制器的设计与实现
控制器的主要设计思想如图所示
2.1 控制器设计思想
通过列真值表得到控制器的两部分电路，真值表如下：
输入
000000
001101
100011
101011
000100
000010
输出
R-type
ORI
LW
SW
BEQ
JUMP
RegDst
1
0
0
x
x
x
ALUSrc
0
1
1
1
0
x
MemtoReg
0
0
1
x
x
x
RegWrite
1
1
1
0
0
0
MemWrite
0
0
0
1
0
0
Branch
0
0
0
0
1
0
Jump
0
0
0
0
0
1
Extop
x
0
1
1
1
x
ALUop2
1
0
0
0
0
x
ALUop1
x
1
0
0
x
x
ALUop0
x
0
0
0
1
x
ALUop[2:0]
Funct[3:0]
指令
ALUctr[2:0]
111
0000
add
010
111
0010
sub
110
111
0100
and
000
111
0101
or
001
111
1010
slt
111
010
xxxx
ori
001
000
xxxx
Lw/sw
010
011
xxxx
beq
110
表 2.1
控制器设计真值表
图 2.2 控制器
3、处理器的集成与验证
集成：将各个部件按要求链接，具体方式如图所示：
3.1 CPU
验证：将指令的 16 进制表示输入指令存储器， 运行后记录寄存器中的数据与标准值进行对照：
图 3.2 寄存器对照值
图 3.3 寄存器实际运行值
由上两图对照可得 CPU 的功能实现成功。
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