华中科技大学计算机组成原理实验—CPU设计实验报告
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一、实验目的
（1）掌握多周期MIPS CPU中各条指令（8条指令）的数据通路，掌握多周期MIPS CPU（8条指令）和微程序控制器的设计原理，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；
（2）掌握硬布线控制器的设计原理，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，包括硬布线地址转移电路，硬布线控制器设计，硬布线代码设计，CPU数据通路电路设计；
（3）进一步熟练掌握Logisim平台的操作方法，扩展Logisim的功能。
二、实验内容
多周期处理器数据通路高层视图
（1）MIPS多周期（硬布线）CPU设计
对照“多周期处理器数据通路高层视图”所示多周期MIPS处理器数据通路，采用“简化的硬布线控制器模型图”所示的硬布线控制模型设计控制器，构造多周期MIPS处理器。能支持“核心指令集表”中的8条MIPS核心指令，最终设计实现的MIPS处理器能够运行试验包中的冒泡排序测试程序。
（2）MIPS多周期（微程序）CPU设计
对照“多周期处理器数据通路高层视图”所示多周期MIPS处理器数据通路，采用微程序控制器的设计方法实现控制器，构造多周期MIPS处理器，能够支持“核心指令集表”中的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。
三、实验工具
Logisim仿真实验软件
四、方案设计与实验步骤及结果
（1）MIPS多周期（硬布线）CPU设计
①构建主要功能部件和数据通路
多周期MIPS CPU的数据通路见“多周期MIPS CPU的数据通路图”。根据多周期MIPS CPU的数据通路连接多周期MIPS CPU数据通路电路，多周期MIPS CPU数据通路电路见“多周期硬布线CPU数据通路电路图”
多周期MIPS CPU的数据通路图
多周期硬布线CPU数据通路电路图
②构建硬布线控制器
核心指令集8条（可实现内存区域冒泡排序）见“核心指令集表”，指令的划分见“指令划分图”。
指令划分图
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，指令译码逻辑实现电路见“指令译码逻辑实现电路图”
指令译码逻辑实现电路图
ALU控制器逻辑电路见“ALU控制器逻辑电路图”。
ALU控制器逻辑电路图
硬布线控制器状态转换逻辑自动生成表见“硬布线控制器状态转换逻辑自动生成表”，利用该表自动生成状态机电路（图略）。
硬布线控制器状态转换逻辑自动生成表
硬布线控制器电路见“多周期硬布线控制器电路图”。
多周期硬布线控制器电路图
③系统调试
将硬布线控制器输出与所有控点相连，构造完整的多周期MIPS处理电路，根据状态转换图指令测试控制器逻辑，状态转换无误后测试程序包中的冒泡程序，直至功能正确。注意，多周期处理器中指令和数据存放至同一存储器中。
用微指令生成表自动生成微指令，微指令生成表见“微指令生成表”，将微指令存入控制存储器，将程序指令存入存储器中，运行电路进行测试。测试结果见“多周期硬布线CPU测试结果图”。
微指令生成表
多周期硬布线CPU测试结果图
（2）MIPS多周期（微程序）CPU设计
①构建主要功能部件和数据通路
在Logisim平台中设计MIPS多周期处理器所需要的主要功能部件。运算器既可以使用运算器试验中自行设计的运算器，也可以使用标准库中的ALU模块。多周期MIPS处理器的数据通路电路可参考多周期硬布线CPU数据通路电路。多周期微程序CPU数据通路实现电路见“多周期微程序CPU数据通路实现电路图”。
多周期微程序CPU数据通路实现电路图
②设计微指令
根据“多周期处理器数据通路高层视图”中的控制信号，结合微程序控制器设计的基本原理，设计MIPS多周期处理器微指令格式，为每一条MIPS指令构建微程序，微程序指令顺序控制方法可自行选择。
③构建微程序控制器
微程序控制器电路中的指令译码逻辑和ALU控制逻辑相同，电路图分别见“指令译码逻辑实现电路图”和“ALU控制器逻辑电路图”。
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表（见“微程序地址转移逻辑自动生成表”）生成逻辑表达式，利用逻辑表达式完成微程序地址转移逻辑电路（见“微程序地址转移逻辑电路图”）。
指令状态变换图
微程序地址转移逻辑自动生成表
微程序地址转移逻辑电路图
微程序控制器电路见“多周期微程序控制器电路图”。
多周期微程序控制器电路图
④系统调试
将微程序控制器输出与所有控点相连，构造完整的多周期MIPS处理电路，根据状态转换图指令测试控制器逻辑，状态转换无误后测试程序包中的冒泡程序，直至功能正确。注意，多周期处理器中指令和数据存放至同一存储器中。
用微指令生成表自动生成微指令，微指令生成表见“微指令生成表”，将微指令存入控制存储器，将程序指令存入存储器中，运行电路进行测试。测试结果见“多周期微程序CPU测试结果图”。
多周期微程序CPU测试结果图
五、遇到的问题及解决方法
1.对各实验原理欠缺全面了解。因为计算机组成原理的理论课程并没有学得很扎实，所以在实验前，我对各实验的原理欠缺比较全面的理解，没有办法直接进行电路的设计。在实验设计之前，我重新学习了相关实验的理论知识，搞清楚各实验背后的原理，然后才尝试进行试验的设计。结合教材上提示的电路原理图以及网上的相关资料，最后在理解试验背后理论知识原理的基础上，完成了电路的设计工作。
2.实验逻辑较为复杂，电路设计步骤难度较大，对实验原理理解程度要求较高，一方面需要对实验原理进行深入的学习与理解，另一方面需要参考一些资料，进行电路设计，并在设计过程中，加深对实验原理的理解。
3.本次实验使用了Logisim平台的新功能，即自动生成电路的功能，在实验中，需要使用excel表生成逻辑，利用逻辑自动生成电路，这部分操作是前几次实验没有涉及的，自己摸索的过程中，花费了较大的精力。
4.电路较为复杂，除了设计阶段，连接阶段也具有较大的挑战性，即使有三次实验的操作经验，在连接时也会经常出错导致电路短路出现错误。