MIPS微程序CPU设计(Logism)

【设计任务】

1. 掌握多周期MIPS CPU中各条指令(8条指令)的数据通路;
2. 掌握多周期MIPS CPU(8条指令和)微程序控制器设计的基本原理;
3. 能利用相关原理在Logisim平台中设计实现8条指令的多周期微程序MIPS CPU，包括微程序地址转移电路，微程序控制器设计，微程序代码设计，CPU数据通路电路设计。

【设计方法和电路工作原理】

1. 核心指令集8条 （可实现内存区域冒泡排序）
   

2.指令的划分

3.电路实现指令译码逻辑
R型指令：ADD、SLT
I型指令：LW、SW、BEQ、BNE、ADDI
SysCall指令

4. ALU控制器逻辑
   当AluOP=5时,ALU执行加法；当AluOP=6,ALU执行减法；当AluOP=（0B）H时执行有符号数比较。
   

5. 构建多周期MIPS CPU数据通路
   

电路图：
在MIPS多周期CPU（微程序）子电路中，利用如下组件构建CPU数据通路 PC、MEM、IR、DR、RegFile、ALU、Controller。

6. 实现微程序地址转移逻辑
   

由指令状态变换图可得
R_Type的微程序入口地址为7；ADDI的微程序入口地址为11
LW的微程序入口地址为2；SW的微程序入口地址为5
BEQ的微程序入口地址为7；BNE的微程序入口地址为10
SYSCALL的微程序入口地址为13
利用微程序地址转移逻辑自动生成自动生成逻辑表达式

将表达式输入至组合逻辑电路分析表达式中，即可自动生成微程序地址转移逻辑。

7.根据状态图构建微程序

1. 多周期MIPS取指令阶段T1
   

此时，AluSrcB=01，即SrcB=4;IRWrite=1表示写入当前指令，PCWrite=1表示PC更新为PC+4；MemRead表示读取内存，P=0表示下一条指令按下址字段取指令，即下一阶段是译码阶段。译码指令的微指令地址为0001，即下址为0001

所以取指令对应的微指令为（13201）H
2) 多周期MIPS取指令阶段T2

此时P=1,由于下一条指令由微程序入口决定。

3. R型指令执行状态周期T3~T4
   
   

R1阶段 AluControl=10即运算方式由Func决定，AluSrcA=1表示ScrA取R1的值。下一微指令是R2，即下址为1000.
R2阶段写回寄存器RD，RegDst=1写回选中RD,同时RegWrite=1写入寄存器。回到取指令，即下址为0000.

4. LW指令执行状态周期T3~T5
   

同理可得

5. Beq指令执行状态周期T3
   

同理可得

得到总的微指令

将微指令对应的十六进制复制到控制存储器

输入信号
1.指令字Opcode，Func字段（12位）
2. 时钟信号、复位信号
输出信号
1.多路选择器选择信号
2.内存访问控制信号
3.寄存器写使能信号
4. 运算器控制信号、指令译码信号

构建多周期MIPS CPU

运行程序：

实现冒泡排序

总电路图：