实验九 单周期MIPS CPU设计实验（基于Logisim）

一、实验目的
学生掌握控制器设计的基本原理，能利用硬布线控制器的设计原理在Logisim平台中设计实现MIPS单周期CPU。

二、实验内容
利用运算器实验，存储系统实验中构建的运算器、寄存器文件、存储系统等部件以及Logisim中其它功能部件构建一个32位MIPS CPU单周期处理器。数据通路如下图所示：

要求支持8条MIPS核心指令，最终设计实现的MIPS处理器能运行实验包中的冒泡排序测试程序sort.asm，该程序自动在数据存储器0~15号字单元中写入16个数据，然后利用冒泡排序将数据升序排序，要求统计指令条数并与MARS中的指令统计数目进行对比。

####电路引脚
信号输入/输出位宽功能描述CLK输入1时钟信号PC输出32程序寄存器的值IR输出32当前指令字RegWrite输出1寄存器文件写使能控制信号RDin输出32寄存器文件写入端口的数据MemWrite输出1存储器写使能控制信号MDin输出32存储器写入端口的数据
三、方案设计
1）单周期MIPS控制器设计

2）单周期MIPS数据通路：

3）单周期MIPS（硬布线）总体电路

4）单周期硬布线控制器
1、指令译码逻辑的设计，该实验只涉及8条核心的MIPS指令。而这8条MIPS指令的指令字段已经在附件中给出，并且电路底部文字也给出了关于SYSCALL的提示，因此，这部分只需根据相应的OP和FUNC字段进行简单地逻辑比较就可实现。
2、ALU控制逻辑的设计，由于该MIPS CPU设计中有关的8条核心MIPS指令中，对于ALU运算逻辑单元中只涉及到加法和比较，因此这一部分可以大大简化。只有运行STL指令时，需要选择比较运算，其余都是加法运算。
3、对于控制器输出信号的设计，则要根据硬布线控制器中所包含的9中控制信号进行分析，如下图。主要考虑每种控制信号的产生条件。这里更高的要求是掌握8条核心指令集在执行时全部周期中所设计的控制信号，已经使用相应控制信号的作用

四、测试结果

五、故障与调试
问题：在平台提交的时候提示 cannot find Jar library cs3410.jar。

出现以上故障可能有两种原因:
一是没有在中国大学mocc上下载cs3410.jar扩展包。
二是本地 cs3410.jar 和测试平台中的 cs3410.jar 路径不一样。一般建议本地的 jar 文件和 cpu.circ 文件在同一目录下，如果出现这个问题，可以调整将本地 cs3410.jar 先移动到 cpu.circ 同目录下后，打开 cpu.circ，logisim 会提示找不到 cs3410.jar，重新指向同目录 cs3410.jar，存盘退出，再重新上传电路文本内容，即可解决这个问题。

六、实验总结与心得体会
本次实验主要完成了以下工作：设计实现了单周期MIPS CPU
数据通路、单周期MIPS CPU 硬布线控制器指令译码逻辑、单周期MIPS CPU硬布线控制器ALU控制逻辑、单周期MIPS CPU 硬布线控制器控制信号逻辑。并且最终设计实现的MIPS处理器能运行实验包中的冒泡排序测试程序sort.asm。本次实验我学会了单周期MIPS CPU的设计方法，感到收获颇丰、受益匪浅。