单周期MIPS CPU的设计与实现
内容
利用 Logisim 平台构建的运算器、寄存器文件、存储系统等部件，以及其它功能部件，构建
一个 32 位 MIPS CPU 单周期处理器。要求支持 9 条 MIPS 核心指令，包括运算类指令 ADD、
SUBI、AND、ORI、SLT，访存指令 LW、SW，分支指令 BEQ、J。
如果你要会写这个，需要知道MIPS 指令集架构和 CPU 的基本设计原理：
module MIPS_CPU (
input clk, rst,
input [31:0] addr,
input [31:0] din,
output [31:0] dout);
// Instruction memory
reg [31:0] imem [0:1023];
initial begin
$readmemh("imem.hex", imem);
end
// Program counter
reg [31:0] pc = 0;
always_ff @(posedge clk, posedge rst) begin
if (rst) begin
pc <= 0;
end else begin
pc <= pc + 4;
end
end
// Instruction decoder
wire [5:0] opcode = imem[pc >> 2][31:26];
wire [5:0] funct = imem[pc >> 2][5:0];
wire mem_read = 0, mem_write = 0, mem_to_reg = 0, alu_src = 0, reg_write = 0;
wire [2:0] alu_op = 3'b000;
reg [31:0] rs_data, rt_data, rd_data;
control_unit control (opcode, funct, mem_read, mem_write, mem_to_reg, alu_op, alu_src, reg_write);
// Register file
reg [31:0] rf [0:31];
always_ff @(posedge clk, posedge rst) begin
if (rst) begin
rf[0] <= 0;
end else if (reg_write) begin
rf[control.reg_write_addr] <= rd_data;
end
end
assign rs_data = (control.alu_src == 1) ? imem[pc >> 2][20:16] : rf[imem[pc >> 2][25:21]];
assign rt_data = (control.alu_src == 1) ? imem[pc >> 2][15:11] : rf[imem[pc >> 2][20:16]];
// ALU
wire [31:0] alu_out;
always_comb begin
case (alu_op)
3'b000: alu_out = rs_data + rt_data; // Addition
3'b001: alu_out = rs_data + rt_data; // Addition
3'b010: alu_out = rs_data - rt_data; // Subtraction
3'b011: alu_out = (rs_data < rt_data) ? 32'h00000001 : 32'h00000000; // Set less than
3'b100: alu_out = rs_data & rt_data; // Bitwise AND
3'b101: alu_out = rs_data | rt_data; // Bitwise OR
3'b110: alu_out = rs_data ^ rt_data; // Bitwise XOR
3'b111: alu_out = ~rs_data; // Bitwise NOT
default: alu_out = 0;
endcase
end
assign rd_data = (mem_to_reg == 1) ? dout : alu_out;
// Data memory
reg [31:0] dmem [0:1023];
initial begin
$readmemh("dmem.hex", dmem);
end
always_ff @(posedge clk, posedge rst) begin
if (rst) begin
dout <= 0;
end else if (mem_read) begin
dout <= dmem[alu_out >> 2];
end else if (mem_write) begin
dmem[alu_out >> 2] <= rt_data;
dout <= 0;
end else begin
dout <= alu_out;
end
end
// Branch
wire branch = (rs_data == rt_data);
always_ff @(posedge clk, posedge rst) begin
if (rst) begin
pc <= 0;
end else if ((opcode == 6'b000100) && branch) begin // BEQ
pc <= pc + (imem[pc >> 2][15:0] << 2);
end else if (opcode == 6'b000010) begin // J
pc <= (pc & 32'hF0000000) | (imem[pc >> 2][25:0] << 2);
end else if (opcode == 6'b000011) begin // JAL
rf[31] <= pc;
pc <= (pc & 32'hF0000000) | (imem[pc >> 2][25:0] << 2);
end else if (opcode == 6'b000101) begin // BNE
pc <= (branch) ? pc + (imem[pc >> 2][15:0] << 2) : pc + 4;
end else if (opcode == 6'b000011) begin // JAL
rf[31] <= pc;
pc <= (pc & 32'hF0000000) | (imem[pc >> 2][25:0] << 2);
end else begin // Other instructions
pc <= pc + 4;
end
end
endmodule
module control_unit (
input [5:0] opcode,
input [5:0] funct,
output reg mem_read,
output reg mem_write,
output reg mem_to_reg,
output reg alu_op [2:0],
output reg alu_src,
output reg reg_write,
output reg [4:0] reg_write_addr);
always_comb begin
case (opcode)
6'b000000: begin
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_src = 0;
reg_write = 1;
case (funct)
6'b100000: alu_op = 3'b000; // ADD
6'b100010: alu_op = 3'b010; // SUB
6'b100100: alu_op = 3'b100; // AND
6'b100101: alu_op = 3'b101; // OR
6'b101010: alu_op = 3'b110; // XOR
6'b101011: alu_op = 3'b111; // NOR
6'b101011: alu_op = 3'b111; // NOR
6'b101100: alu_op = 3'b010; // SLT
default: alu_op = 0;
endcase
end
6'b100011: begin // LW
mem_read = 1;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 1;
alu_op = 3'b000;
alu_src = 1;
reg_write = 1;
end
6'b101011: begin // SW
mem_read = 0;
mem_write = 1;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b000;
alu_src = 1;
reg_write = 0;
end
6'b000100: begin // BEQ
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b010;
alu_src = 0;
reg_write = 0;
end
6'b000101: begin // BNE
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b010;
alu_src = 0;
reg_write = 0;
end
6'b000010: begin // J
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b000;
alu_src = 0;
reg_write = 0;
end
6'b000011: begin // JAL
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b000;
alu_src = 0;
reg_write = 1;
reg_write_addr = 5'h1f;
end
default: begin // Other instructions
mem_read = 0;
mem_write = 0;
mem_to_reg = 0;
alu_op = 3'b000;
alu_src = 0;
reg_write = 0;
end
endcase
end
endmodule
如下答案参考GPT整理汇总，忘采纳
import java.util.BitSet;
public class MIPS_CPU {
// 定义寄存器
private int[] regs;
// 定义内存
private byte[] memory;
// 程序计数器
private int pc;
public MIPS_CPU() {
this.regs = new int[32];
this.memory = new byte[1024];
this.pc = 0;
}
public void simulate() {
// 定义控制单元信号
boolean MemRead, MemWrite, RegDst, ALUSrc, RegWrite, Branch, MemtoReg;
// 运算器选择信号
boolean ALUOp0 = false, ALUOp1 = false;
// 获取指令并解析
int inst = readMemory(pc);
BitSet opcode_bitset = getBitSet(inst, 31, 26);
// 根据不同指令设置控制单元信号
if (opcode_bitset.equals(comp("000000"))) { // R-type指令
RegDst = true;
ALUSrc = false;
MemtoReg = false;
RegWrite = true;
MemRead = false;
MemWrite = false;
Branch = false;
BitSet funct_bitset = getBitSet(inst, 5, 0);
if (funct_bitset.equals(comp("100000"))) { // ADD Rd, Rs, Rt
ALUOp0 = true;
} else if (funct_bitset.equals(comp("100010"))) { // SUB Rd, Rs, Rt
ALUOp1 = true;
} else if (funct_bitset.equals(comp("100100"))) { // AND Rd, Rs, Rt
ALUOp0 = true;
} else if (funct_bitset.equals(comp("100101"))) { // ORI Rd, Rs, Imm
ALUOp0 = true;
ALUSrc = true;
} else if (funct_bitset.equals(comp("101010"))) { // SLT Rd, Rs, Rt
ALUOp1 = true;
}
} else if (opcode_bitset.equals(comp("100011"))) { // LW Rt, Imm(Rs)
RegDst = false;
ALUSrc = true;
MemtoReg = true;
RegWrite = true;
MemRead = true;
MemWrite = false;
Branch = false;
ALUOp0 = true;
} else if (opcode_bitset.equals(comp("101011"))) { // SW Rt, Imm(Rs)
RegDst = false;
ALUSrc = true;
MemtoReg = false;
RegWrite = false;
MemRead = false;
MemWrite = true;
Branch = false;
ALUOp0 = true;
} else if (opcode_bitset.equals(comp("000100"))) { // BEQ Rs, Rt, Imm
RegDst = false;
ALUSrc = false;
MemtoReg = false;
RegWrite = false;
MemRead = false;
MemWrite = false;
Branch = true;
ALUOp1 = true;
} else if (opcode_bitset.equals(comp("000010"))) { // J Target
RegDst = false;
ALUSrc = false;
MemtoReg = false;
RegWrite = false;
MemRead = false;
Write = false;
Branch = true } else {
// 暂不支持其它指令
System.err.println("Undefined Instruction!");
return;
}
// 读取寄存器/立即数
BitSet rs_bitset = getBitSet(inst, 25, 21);
int rs = bitsToInt(rs_bitset, 0, 4);
BitSet rt_bitset = getBitSet(inst, 20, 16);
int rt = bitsToInt(rt_bitset, 0, 4);
int rd = RegDst ? bitsToInt(getBitSet(inst, 15, 11), 0, 4) : rt;
int sign_ext_imm = signExtend(bitsToInt(getBitSet(inst, 15, 0), 0, 16));
int Imm = sign_ext_imm;
// 计算目标地址或源操作数
int ALU_src1 = rs == 0 ? 0 : regs[rs];
int ALU_src2 = ALUSrc ? Imm : (rt == 0 ? 0 : regs[rt]);
BitSet shamt_bitset = getBitSet(inst, 10, 6);
int shamt = bitsToInt(shamt_bitset, 0, 4);
// 进行指定的运算操作
int ALU_result;
boolean zero;
if (ALUOp0 && !ALUOp1) { // ADD，AND，ORI 指令
ALU_result = ALU_src1 + ALU_src2;
zero = (ALU_result == 0);
} else if (!ALUOp0 && ALUOp1) { // SUB，SLT指令
ALU_result = ALU_src1 - ALU_src2;
zero = (ALU_result == 0);
} else {
// 暂不支持其它指令
System.err.println
关于logisim实验的存储器 寄存器堆 运算器等器件连线图
可以参考下
https://blog.csdn.net/weixin_45039972/article/details/106613451
程序我没写，但是我帮你找到一个差不多的项目源码：
单周期MIPS CPU设计，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。https://download.csdn.net/download/weixin_44240648/13609427
该源码可以免费下载，跟你的需求差不多，稍作修改应该就能符合你的需求。
得先好好学习一下MIPS 指令集架构和 CPU 的基本设计原理
答案参考ChatGPT Plus版，整理汇总。希望能帮助你解决问题
要解决单周期MIPS CPU的设计和实现问题，您可以按照以下步骤进行操作：
确定设计需求：明确所需的功能和指令集。根据要求，需要支持9条MIPS核心指令，包括ADD、SUBI、AND、ORI、SLT、LW、SW、BEQ和J指令。
设计CPU的基本结构：根据MIPS架构，将CPU划分为多个模块，包括指令存储器、控制单元、算术逻辑单元(ALU)、寄存器文件、数据存储器等。
实现指令执行逻辑：针对每个指令，确定其执行过程中需要进行的操作和数据路径。使用组合逻辑电路和时序逻辑电路来实现指令的解码、执行和存储等操作。
设计控制单元：控制单元负责生成指令执行过程中所需的控制信号。根据不同指令的操作类型和执行需求，设计控制单元的状态转换和输出逻辑，确保指令的正确执行。
实现寄存器文件和数据存储器：设计和实现用于存储数据的寄存器文件和数据存储器，包括读写操作的逻辑和数据传输的控制信号。
设计运算器：运算器包括ALU和相关的逻辑电路，用于执行算术和逻辑操作。确定运算器所需的功能和运算规则，实现运算器的计算逻辑和控制信号。
连接各个模块：根据MIPS CPU的数据路径和控制信号需求，将各个模块进行连接，确保数据和控制信号能够正确地在模块之间传递。
进行仿真和测试：使用Logisim平台对设计的单周期MIPS CPU进行仿真和测试。通过运行各种测试程序和指令序列，验证CPU的正确性和稳定性。
优化和改进：根据仿真和测试结果，对设计进行优化和改进。可以考虑增加更多的指令支持、优化数据路径和控制逻辑，提高CPU的性能和功能。
文档和展示：完成设计后，撰写相关文档，包括设计说明、操作手册和测试报告等。可以使用Logisim平台生成模块级别的图形展示，以便更好地展示设计的细节和功能。
通过以上步骤，您可以完成单周期MIPS CPU的设计和实现，并获得符合要求的CPU处理器。请注意，在实际设计过程中，可能会遇到一些挑战和调试的情况，
需要进行适当的修改和调整，以确保CPU的正确运行和稳定性。
借助讯飞星火认知大模型的完整步骤：
要构建一个32位MIPS CPU单周期处理器，可以按照以下步骤进行：
设计运算器部件：包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器文件等。在Logisim中可以使用内置的ALU模块和寄存器文件来实现这些部件。
设计存储系统部件：包括程序计数器、指令寄存器、数据寄存器、栈等。在Logisim中可以使用内置的存储系统部件来实现这些部件。
实现核心指令：根据要求，需要支持9条MIPS核心指令，包括ADD、SUBI、AND、ORI、SLT、LW、SW、BEQ和J。在Logisim中可以使用内置的指令集或自定义指令集来实现这些指令。
连接各个部件：将运算器部件、存储系统部件和核心指令连接起来，形成一个完整的32位MIPS CPU单周期处理器。
测试和调试：对构建好的CPU进行测试和调试，确保其能够正确地执行各种指令并产生正确的结果。
需要注意的是，在设计过程中需要考虑时序问题，确保各个部件之间的操作顺序和时间间隔符合MIPS指令集的要求。同时还需要考虑功耗和面积等问题，尽可能地优化设计以提高性能和降低成本。
我试过了，可行，您先试下，有问题就私聊我
思路参考：