单周期CPU

单周期CPU

​ 以MIPS为参考，logisim为仿真模拟器，设计一个支持addu、subu、or、andi、lui、beq、j、jal、jr、sb、sh、sw、lb、lh及lw指令的单周期CPU，共支持32条指令。若无特殊说明，涉及时钟的部件均为上升沿触发。

理论

单周期CPU的时钟周期

​ 单周期CPU意味着一条指令涉及的所有操作均在一个时钟周期内完成，而不同指令执行从开始到结束所需的时间往往是不一样的，为了保证一个程序的所有指令能够顺利地执行，单周期CPU的时钟周期取时间最大者。由于设计方式、材料等方面的不同，CPU寄存器的访问时间是最快的，而内存的访问时间相当慢。在所有的指令中，访存指令（如lw，sw）的执行时间往往是最长的，为了提高效率，人们设计出了Cache这一结构（这是后话）。当然，由于时钟周期是不变的，单周期CPU的效率是很低的，现如今多采用流水线CPU。

CPU运行机制（简化）

​ CPU中的程序计数器（Program Counter）——PC存储着指令地址，通过这些地址，获得指令寄存器（Instruction Register）中对应的指令。指令通过译码器，得到控制各个逻辑单元的控制信号。一般而言，部分编码信号及数据在算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit）进行运算，运算的结果或成为最终的结果写回CPU寄存器，或成为与内存进行交换时的地址和数据。若指令对内存进行访问，写操作时，ALU结果写入内存中；读操作时，将内存中对应地址的数据写回CPU寄存器。上述操作即为单周期CPU在一个时钟周期内的相关操作。下一个时钟周期，PC+4，获得新的指令地址，执行下一条指令。

实现

​ 将所有操作大致分为取地址、取指令、译码、运算、访存及写回六个阶段。

​ 顶层模块展示：

取地址

​ 在MIPS中，指令的入口为\(12288_{(10)}\)，亦即\(3000_{16}\)。当前Address+4即为下一条指令的地址。我们需要：当下一个时钟上升沿到来时，PC+4；当（异步）复位信号——Reset到来时，PC恢复至0x3000的状态。考虑到要实现的指令中有条件跳转指令（beq）及无条件跳转指令（j、jal、jr），因此，PC结构的输入是多样的，同时我们需要一个地址选择信号PCSrc（PCSource）。jal指令将PC+4写入$31号寄存器，执行jr指令时将$31号寄存器的内容作为新的PC。

​ 此处无PCSrc，而是对Branch信号和Jump信号译码，实现对地址的选择。

取指令

​ 此处的ROM最多存储32条指令，故需要五位的二进制数才能对所有指令进行选择。而之所以选择2-6位的数据，是因为此处为PC+4，PC的低两位（二进制）恒为00。

译码

​ MIPS中，一条指令为32位的二进制数，其组成有如下几种情况：

OP（31-26）	RS（25-21）	RT（20-16）	RD（15-11）	shamt（10-6）	Func（5-0）

OP（31-26）	RS（25-21）	RT（20-16）	Imm16（15-0）

OP（31-26）	base（25-21）	RT（20-16）	imm16（15-0）

OP（31-26）	instr_index（25-0）

​ 指令经过分线器后，RD、RS及RT被传至GRF作为源寄存器和目的寄存器的地址，而OP和Func传至控制单元进行译码，imm16和imm26被传至其他逻辑单元。

​ 控制信号与指令间的关系如下：

	ADDU	SUBU	OR	LUI	ANDI	BEQ	J	JAL	JR	LB/LH/LW	SB/SH/SW
RegDst	1	1	1	0	0	x	x	2	x	0	x
RegWrite	1	1	1	1	1	x	x	1	x	1	x
ALUSrc	0	0	0	1	1	0	0	0	0	1	1
ALUOP	0	1	2	3	4	1	x	x	x	0	0
MemWrite	x	x	x	x	x	x	x	x	x	0	1
MemToReg	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
EXTOP	x	x	x	0	0	x	x	x	x	1	1

​ 其中对于‘x’和'0'的判定见仁见智。

​ 除此之外，为了实现LB/LH/LW及SB/SH/SW指令，还需要添加控制位宽的信号。

运算

​ 运算阶段没有太多要说明的地方，需要注意的是ALUOP控制信号和多选器输入间的关系，具体的对应情况由个人决定。此处BEQ指令引入了ZERO信号，目的是与Branch信号一同作用判断是否需要跳转。

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访存

读指令

​ 读取的数据的位宽受BWidth信号控制，而具体选择哪部分的数据受地址的低1/2位影响。

写指令

​ 其具体机制与读指令类似，但稍显复杂。由于logisim的特性，我们需要先将给定地址的数据读取出来，然后用\(GPR[RT]_{x:0}\)代替指定字段的内容，再写入。

写回

​ RegWrite信号控制是否将数据写回CPU寄存器中（事实上，在此ALU结果和内存数据一直都有存在，所以需要由RegWrite决定是否写回）。而MemToReg信号决定写回的数据是ALU结果还是内存数据。

一些话

不保证图示的正确性，仅供参考。

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