7.7 单总线MIPS CPU三级时序控制器中断实验教学课件

1、三级时序硬布线控制器实验谭志虎1实验目的n 掌握三级时序单总线MIPS CPU设计原理n 掌握时序发生器设计的基本原理n 掌握硬布线控制器设计的基本原理n 主要任务p 实现不同版本的时序发生器p 实现硬布线控制器p 测试联调25条基本MIPS指令集 （可实现内存区域冒泡排序）# MIPS指令 RTL功能描述1sltrd,rs,rtRrdRrsRrt小于置1，有符号比较2addirt,rs,immRrtRrs+SignExt(imm)不考虑溢出3lwrt,imm(rs)RrtMRrs+SignExt(imm)4swrt,imm(rs)MRrs+SignExt(imm)Rrt5beqrs,rt,i

2、mmif(Rrs=Rrt)PCPC+SignExt(imm)23控制信号作用说明IRout、PCout、Rout控制三态门将寄存器值输出到总线IRin、PCin、Rin控制寄存器使能端将总线数据锁存（时钟驱动）+4、ADD、SUB运算控制信号Write、Read内存读写控制信号（时钟驱动）单总线结构CPU实例时序部件PCPCPCinPCout内总线操作控制信号RinRoutR#W#Rs/RtRegDstRegsRegs0 10 1rsrdrtIDID操作控制器状态中断数据流数据流控制流控制流运算标志运算标志+4ALUALUZ ZABADDXinZoutSUB状态状态PSWinPSWPSWX X

3、n 主要部件都连接在总线上n 各部件间通过总线进行传输MEMMEMARARDRDRWrite ReadARinDRinDRoutDREoutDREinIR(A)outIRinIRIRIR(I)out4单总线结构MIPS CPU数据通路 Logisim实现n ALUn X、Zn PSWn REGSn PCn MEMn ARn DRn IRn 控制器5时序产生器设计时序产生器MIFT1MEXT2T3T4时序产生器时序产生器组合逻辑组合逻辑现态FSMFSM状态机状态机组合逻辑组合逻辑状态寄存器状态寄存器时钟CLK现态次态次态中断请求指令译码信号时序产生器时序产生器指指令令寄寄存存器器IR反馈信号M1

4、MiT1TkI1Im微操作控制信号序列C1CnB1BjID硬布线控制器硬布线控制器组合逻辑线路组合逻辑线路时钟CLK指令指令译码译码6硬布线控制器框架实现各功能部件，完善微程序控制器框架，最终实现完整的微程序控制器第1关：指令译码器第2关：时序发生器状态机第3关：时序发生器输出函数第5关：硬布线控制器设计第4关：硬布线控制器组合逻辑单元7第1关 MIPS指令译码器设计将MIPS指令字翻译成不同的指令译码信号，各译码信号代表不同的指令8时序发生器状态机T4=1Mif=1T1=1Mex=1T3=1Mif=1T2=1Mif=1T2=1Mcal=1T1=1Mif=1T1=1Mcal=1T3=1Mex=

5、1lw/sw/beqadd/addiT2=1Mex=1S0S0S1S1S2S2S3S3S4S4S5S5S6S6S7S7S8S8定长指令周期定长指令周期T1=1Mif=1S0S0T2=1Mif=1S1S1T3=1Mif=1S2S2T4=1Mif=1S3S3T1=1Mcal=1S4S4T2=1Mcal=1S5S5T3=1Mcal=1S6S6T4=1Mcal=1S7S7T1=1Mex=1S8S8T2=1Mex=1S9S9T3=1Mex=1S10S10T4=1Mex=1S11S11取指周期取指周期计算周期计算周期执行周期执行周期变长指令周期变长指令周期9第3关 时序发生器状态机设计n 填写状态转换表

6、（Excel表 1.单总线MIPS三级时序产生器逻辑自动生成.xlsx）p 左侧是现态和译码信号，右侧是次态，次态逻辑会自动生成n 自动生成 时序发生器状态机 子电路 p Logisim的分析电路功能 Project Analyze Circuit 10第3关 时序发生器组合逻辑（输出函数）设计n 填写输出函数真值表 （Excel表 1.单总线MIPS三级时序产生器逻辑自动生成.xlsx）p 左侧是现态，右侧状态周期电位，节拍电位输出n 自动生成 时序发生器输出函数 子电路 p Logisim的分析电路功能 Project Analyze Circuit 11第4关 硬布线控制器组合逻辑单元设计n 填写组合逻辑真值表 （Excel表 2.单总线MIPS三级时序控制器控制信号逻辑自动生成.xlsx）p 左侧状态周期、节拍电位，指令译码信号，右侧是控制信号输出n 自动生成 硬布线控制器组合逻辑单元 子电路 p Logisim的分析电路功能 Project Analyze Circuit 12第5关 硬布线控制器设计第5关：硬布线控制器设计13第6关 CPU测试n 在CPU主电路RAM存储器中载入排序程序sort-5.hex 时钟频率4KHzn 时钟自动仿真