基于Logisim和Mars仿真器构建32位单周期CPU处理器设计_32位alu设计logisim-程序员宅基地
技术标签： Logisim 毕业设计 CPU处理器设计 32位单周期 程序 Mars仿真器构建 论文
目录
一、总体数据通路结构设计 3
1.1 总体数据通路结构图 3
1.2 模块设计图 4
二、模块定义 7
2.1 IFU模块定义 7
2.1.1 基本描述 7
2.1.2 模块接口 7
2.1.3 功能定义 7
2.2 GPR模块定义 8
2.2.1 基本描述 8
2.2.2 模块接口 8
2.2.3 功能定义 8
2.3 ALU模块定义 9
2.3.1 基本描述 9
2.3.2 模块接口 9
2.3.3 功能定义 9
2.4 EXT模块定义 10
2.4.1 基本描述 10
2.4.2 模块接口 10
2.4.3 功能定义 10
2.5 DM模块定义 11
2.5.1 基本描述 11
2.5.2 模块接口 11
2.5.3 功能定义 11
2.6 Control模块定义 12
2.6.1 基本描述 12
2.6.2 模块接口 12
2.6.3 功能定义 12
三、设计的机器指令描述 13
四、测试程序 14
五、测试结果 15
5.1 GPR运行结果 15
5.2 DM运行结果 16
六、总结与收获 17
二、模块定义
2.1 IFU模块定义
2.1.1 基本描述
IFU主要功能是完成取指令功能。IFU内部包括PC、IM(指令存储器)以及其他相关逻辑。IFU除了能执行顺序取值令外，还能根据BEQ指令的执行情况决定顺序取值令还是转移取值令。
2.1.2 模块接口
信号名 方向 描述
npc_sel I 当前指令是否为beq指令标志。
1：当前指令为beq
0：当前指令非beq
zero I ALU计算结果为0标志。
1：计算结果为0
0：计算结果非0
clk I 时钟信号
reset I 复位信号。
1：复位
0：无效
ins[31:0] O 32位MIPS指令
PCaddress O 查看IFU输出第几条指令
2.1.3 功能定义
序号 功能名称 功能描述
1 复位 当复位信号有效时，PC被设置为0x00000000。
2 取指令 根据PC从IM中取出指令。
3 计算下一条指令地址 如果当前指令不是beq指令，则PCPC+4
如果当前指令是beq指令，且zero为0，则PCPC+4
如果当前指令是beq指令，并且zero为1，则PCPC+4+(sign_ext(ins[15:0])<<2)
4 计算当前输出指令行号 PCaddress统计IFU中被取指令的条数
2.2 GPR模块定义
2.2.1 基本描述
GPR的主要功能是完成对32个32位寄存器的读写功能，有两个读端口和一个写端口，根据RA和RB的值分别选择要读取的寄存器，根据RW的值选择要写入的寄存器。
2.2.2 模块接口
信号名 方向 描述
regWrite I 当前指令是否写入寄存器。
1：当前指令写入寄存器
0：当前指令不写入寄存器
reset I 复位信号。
1：复位
0：无效
clk I 时钟信号。
rs[4:0] I 当前指令需要被读出数据的寄存器地址1。
rt[4:0] I 当前指令需要被读出数据的寄存器地址2。
rw[4:0] I 当前指令需要写入的寄存器地址。
Busw[31:0] I 当前指令需要写入的数据。
out1[31:0] O 当前指令读出的数据1。
out2[31:0] O 当前指令读出的数据2。
2.2.3 功能定义
序号 功能名称 功能描述
1 复位 当复位信号有效时，所有寄存器数据清零。
2 取数据 根据rs和rt的地址从寄存器中取出数据。
3 写数据 如果regWrite有效且clk时钟信号触发边沿，则根据rw的地址将数据写入该地址所对应寄存器中。
2.3 ALU模块定义
2.3.1 基本描述
ALU的主要功能是完成算术运算和逻辑运算，本次设计的ALU可执行的算术运算包括加法和减法，逻辑运算包括或运算。多路选择器根据ALU控制信号判断ALU应进行的运算，选择出运算结果后对其做按位与运算判断是否为0。
2.3.2 模块接口
信号名 方向 描述
A I 参与运算的第一个输入数据。
B I 参与运算的第二个输入数据
ALUctr I ALU控制信号。
00：或运算
01：减法运算
10：加法运算
out[31:0] O ALU运算结果。
zero O 运算结果是否为零的标志位。
1：运算结果为0
0：运算结果非0
2.3.3 功能定义
序号 功能名称 功能描述
1 加法运算 ALUctr=10时，out=A+B
2 减法运算 ALUctr=01时，out=A-B
3 或运算 ALUctr=00时，out=A|B
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