參考教材：《計算機組成與設計 硬件/軟件接口 原書第五版》第二章 第四章
↑ 這本書寫的特別好，零基礎也可以看

實驗報告
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提取碼: wj38

完整電路
鏈接: https://pan.baidu.com/s/1m028MjBr0ntW9NQIeyo-Rw
提取碼: byv8

*僅供參考，指令已經過MARS對比測試，但不保證完全正確，歡迎指正
*最后一次更新：2019-6-21 14:34:17 (新增：七段數碼管、JAL指令)

頂層視圖

測試指令：

v2.0 raw 3c0800ff 3c090001 01095021 01495023 350b5555 3c0c0001 3c0d0001 35ad0001 01ac6023 01ec4021 01084021 01084021 01ef4821 018c6821 01ad6821 01ac6821 01ac7021 01cc7821 012c4821 11090001 0810000f 3c080000 ad0c0000 8d0d0000 0c100000

指令解釋：

測試結果（運行最后一條指令JAL之前）：

實驗要求

以下為制作過程記錄

半加器

此半加器將在32-bit adder的第0位使用，因為第0位不需要考慮低位的進位

半加器電路是指對兩個輸入數據位相加，輸出一個結果位和進位，沒有進位輸入的加法器電路。

是實現兩個一位二進制數的加法運算電路。

判斷是否進位的電路

或門的使用

或門有多個輸入端，一個輸出端，只要輸入中有一個為高電平時（邏輯“1”），輸出就為高電平（邏輯“1”）；只有當所有的輸入全為低電平（邏輯“0”）時，輸出才為低電平（邏輯“0”）

下圖是一個3輸入的或門：

下面這個電路用來判斷是否進位，有3個輸入，1個輸出。真值表如右圖：

全加器 full adder

用門電路實現兩個二進制數相加并求出和的組合線路，稱為一位全加器。

一位全加器可以處理低位進位，并輸出本位加法進位。

多個一位全加器進行級聯可以得到多位全加器。

下面圖左是一個一位全加器，圖右是對應的真值表。電路上面是異或，下面方塊用于判斷是否進位。

3個輸入分別是：兩個加數a(i),b(i)，前一位的進位c(i)
2個輸出分別是：本位的結果s(i)，下一位進位c(i+1)

異或門的使用

如下圖，使用了一個三輸入的異或門

在實際使用時，注意左側的Multiple-Input Behavior選項
應該選擇“When an odd number are on”,這樣當三個輸入為1 1 1時，輸出為1
不要選擇When one input is on，否則三個輸入為1 1 1時，輸出為 0

上圖中三輸入異或門的真值表如下：A B C是輸入，Y是輸出，F是對輸出的取反

為什么會產生這樣的真值表？解釋如下。

當有多于2個輸入時，異或邏輯的運算（半加運算）

異或運算通常用符號“?”表示，其運算規則為：

0?0=0 0同0異或，結果為0

0?1=1 0同1異或，結果為1

1?0=1 1同0異或，結果為1

1?1=0 1同1異或，結果為0

即兩個邏輯變量相異，輸出才為1，給ABCD賦值，從左向右累計運算。得答案。

第一、相信你是知道兩個命題變量的異或運算的規則的——只要你知道它的真值表就夠了，其規律是：（兩變量取值）相同則（結果為）假，不同則真；

第二、你應該知道兩個命題變量的異或運算的結果也是一個命題變量，它可以參與下一步的邏輯運算；

第三、多個異或連續運算，就類似數學上的連加、連乘運算：將前兩個數的運算結果，與第三個數繼續運算；再將結果與第四個運算；再……其中的每一步都要按照相應運算的規則進行；

現在，你可以自己進行計算了。不過我曾經對多個變量的異或（和同或）運算的規律做過分析，現將結果告訴你，你可以自行驗證：

1、多個命題的“異或”運算：其結果依賴于參與運算的所有量中，取值為“真”的量的“個數”的“奇偶性”：

若含“奇數”個“真命題”，則結果為“真”；

若含“偶數”個“真命題”，則結果為“假”；（零個也是偶數個）

換句話說：命題表達式 A?B?C?D 結果為“真”，當且僅當 A、B、C、D 中有奇數個（即 1 個或 3 個）變量的取值為“真”；而至于其中“假命題”的個數，則對結果“無任何影響”。關于這一點的證明，可以從下面兩個恒等式中找到思路：

p ? 1 = 非p；——增加一個“真命題”參與運算，總會將“原命題”變成其“反命題”；

p ? 0 = p；——增加一個“假命題”參與運算，對“原命題”永遠沒影響；

2、多個命題的“同或”運算：其結果依賴于參與運算的所有量中，取值為“假”的量的“個數”的“奇偶性”：

若含“奇數”個“假命題”，則結果為“假”；

若含“偶數”個“假命題”，則結果為“真”；

32-bit adder

第一步：添加兩個32位輸入，一個32位輸出

做一些tunnel，避免凌亂的電路

B的tunnel也做好了

中間過程不詳細描述了

1位全加器連在一起，最右面是1位半加器，因為第0位不需要考慮低位進位

一張圖放不下，截一個右邊的圖吧

32 bit substract

32位減法器，在32位加法器的基礎上制作，把減數取反加一（0x1,設置如下），與被減數相加即可

以下：完整的32位減法器

32 bit ori

或門

如果幾個條件中，只要有一個條件得到滿足，某事件就會發生，這種關系叫做“或”邏輯關系。具有“或”邏輯關系的電路叫做或門。或門有多個輸入端，一個輸出端。

只要輸入中有一個為高電平時（邏輯“1”），輸出就為高電平（邏輯“1”）；
只有當所有的輸入全為低電平（邏輯“0”）時，輸出才為低電平（邏輯“0”）。

32位或的電路實現

32-bit ori用于實現mips的ori指令。電路比較簡單，圖如下

ALU

算術邏輯單元(arithmetic and logic unit) 是能實現多組算術運算和邏輯運算的組合邏輯電路。
大部分ALU都可以完成以下運算∶
1、整數算術運算（加、減，有時還包括乘和除，不過成本較高）
2、位邏輯運算（與、或、非、異或）
3、移位運算（將一個字向左或向右移位或浮動特定位，而無符號延伸），移位可被認為是乘以2或除以2。

bgez指令
指令用法為：bgez rs, offset
指令作用為：if rs ≥ 0 then branch，如果地址為rs的通用寄存器的值大于等于0，那么發生轉移。

Multiplexer
多路選擇器是數據選擇器的別稱。在多路數據傳送過程中，能夠根據需要將其中任意一路選出來的電路，叫做數據選擇器，也稱多路選擇器或多路開關

用下圖理解一下多路選擇器的作用：
choose=0時，輸入A有效，輸入B無效
choose=1時，輸入A無效，輸入B有效

再用下面兩張圖理解一下select bits=2 的情況

ALU整體電路圖

ALU實現Add、Sub、Ori的功能，用了兩個mux，上面的mux用于執行bgnz指令，下面的mux用于輸出執行的到底是哪一種運算（加、減還是或）。實際上，當A（上面）、B（下面）輸入都存在時，每一種運算都已經進行了，只不過由于下方mux的選擇，運算結果沒有輸出而已。

對于黃色圈內bgnz原理的解釋、Multiplexer在本電路中的作用，如下圖：
（后來我把bgnz刪了，因為實驗要求里并沒有讓寫這條指令）

至此，ALU的設計完成

存儲原件（與本實驗無關，可跳過）

鎖存器與觸發器P469

S-R鎖存器
可以存儲一位數據，數值存儲在如下圖所示的交叉耦合結構內


D鎖存器
當鎖存器處于打開狀態時，輸出Q的值隨輸入D的改變而變化。

IFU

作用：存儲指令、讀出指令

要求
4. IFU：內部包括PC、IM(指令存儲器)及相關邏輯。
a) PC：用寄存器實現，寬度為30位。PC應具有復位功能。
b) IM：容量為32bit×32字，用ROM實現。
c) 說明：由于IM地址僅為5位，因此請用2個對接的Splitter實現將PC低位地址與IM地址連接。

解釋：關于為什么PC寬度為30位，而IM寬度為32位

IM：容量為32bit×32字，用ROM實現

IFU整體圖（右下角獨立的部分沒用，沒舍得刪）

一些易錯點

Controller

作用：判斷執行的是哪一條指令，按照真值表輸出控制信號來控制main電路中的許多multiplexer

整體視圖↓

分區域放大

左邊↓

右邊↓

Regfile寄存器堆

Extender位拓展器

頂層視圖 main

整體↓

詳細圖↓



至此，CPU設計完成，下面的步驟就是測試指令了
首先給出MIPS寄存器號對應表

MIPS寄存器號表

寫了一些測試數據
（0）
lui $t0,255 #立即數加載至寄存器t0高16位
001111 00000 01000 0000000011111111
00111100000010000000000011111111
3c0800ff

（1）
lui $t1,1 #立即數加載至寄存器t1高16位
00111100000010010000000000000001
3c090001

（2）
addu $t2,$t0,$t1 #把寄存器t0與t1的值相加，結果存在t2中
000000 t0 t1 t2 00000 100100
操作碼 源1 源2 目的
000000 01000 01001 01010 00000 100001
00000001000010010101000000100001
01095021

（3）
subu $t2,$t2,$t1 #把寄存器t2與t1的值相減，結果存在t2中
操作碼 源1 源2 目的
00000001010010010101000000100011
01495023

（4）
ori $t3,$t0,0101010101010101 #把寄存器t0中的值與imm16相與，結果存在寄存器t3中
操作碼 源 目的
001101 t0 t3 imm16
00110101000010110101010101010101
350b5555
預期：t3 0000 0000 0101 0101 0101 0101

（5）
sw $t3,1($t4) #把寄存器t3中的數放進以t4中存的0為base，2為偏移的內存單元中（效果為2字，因為以字尋址）
101011 01100 01011 0000000000000010
10101101100010110000000000000010
ad8b0002

（6）
lw $t5,1($t4) #把以t4中存的0為base，2為偏移的內存單元中的數據，存放在寄存器t5中
100011 01100 01101 0000000000000010
10001101100011010000000000000010
8d8d0002

• 以上運行結果：
  t0: 00ff 0000
  t1: 0001 0000
  t2: 00ff 0000
  t3: 00ff 5555
  t4: 0000 0000
  t5: 00ff 5555

（7）
beq $t3,$t5,(十進制7)0000000000000111 #比較t3和t5的數據，相等就跳轉到PC+7（字）
000100 01011 01101 0000000000000111 #如果不相等，就執行下一條指令PC+1（字）
00010001011011010000000000000111
116d0007

（8）
lui $t1,0 #立即數0加載至寄存器t1高16位（把t1清零）
00111100000010010000000000000000
3c090000

（14）
lui $t0,0 #立即數0加載至寄存器t0高16位（把t0清零）
001111 00000 01000 0000000000000000
00111100000010000000000000000000
3c080000

（15）
j 8 #跳轉回到第8條指令（0,1,2,3,4,5,6,7,8）
00001000000000000000000000001001
08000008

• 以上運行結果：
  t0: 0000 0000
  t1: 0000 0000
  t2: 00ff 0000
  t3: 00ff 5555
  t4: 0000 0000
  t5: 00ff 5555

要注意，beq是相對下一條指令尋址，j是絕對地址

全部指令

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【计组实验】P1 logisim完成单周期处理器开发 MIPS指令集的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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