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西安交通大学组成专题实验报告

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2021-05-09

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Ac.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

210Add2JumpMemToReg4Add01ControlMemReadMemWriteBranchALUopALUsrcRegWriteIn

structionMemoryPC0R1Rdata132R21Register

FileW1WdataALU32zeroResult32AddrRdata20212DataData0321Memory3Wdata{15~0}sign32

extend2ALUcontrol6{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（ALUControl）产生ALU的

控制信号：ALUoper

*ALU控制信号对照表：

ALUopFunc（来自R型指令的func字段）操作ALUop1ALUop2F50011111

01××××××××××××F4×××××××F3××000

01F2××00110F1××01001F0××00010010:ADD110:SUB

010:ADD110:SUB000:AND001:OR111:SLT5.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)→SignExtend（15:0→Signimm31:0）；

感谢您的阅读，祝您生活愉快。