Logisim单周期CPU设计文档1

Logisim 单周期CPU设计文档1主要涵盖了CPU的基本设计方案，关键模块的定义以及各模块的功能。这个CPU是一个32位的单周期处理器，支持特定的指令集，包括加法、减法、逻辑操作、加载、存储、条件分支、加载立即数和空操作。 1. **CPU设计方案**： - 32位架构：CPU处理的数据和地址线宽度均为32位。 - 单周期设计：所有操作在一个时钟周期内完成，提高执行速度。 - 指令集：包括addu、subu、ori、lw、sw、beq、lui、nop八种指令。 - nop指令：机器码为0x00000000，不做任何操作。 2. **关键模块**： - IFU（Instruction Fetch Unit）：负责获取指令。它根据PC值从IM（Instruction Memory）中取出指令，并在条件满足时更新PC。IFU包含端口和功能定义，如根据beq和eq?判断是否执行分支。 - GRF（General Register File）：通用寄存器文件，包含32个32位寄存器。有读写功能，可指定地址进行数据存取。 - ALU（Arithmetic Logic Unit）：执行算术和逻辑运算，如加、减、与、或，并判断相等。 - DM（Data Memory）：数据存储器，可以读写数据。 - EXT（Extender）：用于扩展16位立即数到32位，支持无符号和符号扩展。 - Controller：控制器，解析指令的6位操作码和6位功能码，生成ALU操作信号、GRF和DM的写使能信号，以及beq检测。 3. **IFU功能**： - 在reset信号有效时，将PC初始化为0x00000000。 - 当beq和eq?均为1时，PC会根据imm32左移2位进行分支跳转；否则，PC加4。 4. **GRF功能**： - reset信号为1时，所有寄存器清零。 - 可以通过地址A1和A2读取不同寄存器的数据。 - 当WE为1时，可以向地址A3指定的寄存器写入数据。 5. **ALU功能**： - 执行加、减、与、或四种基本运算，并输出结果和相等比较标志。 6. **DM功能**： - reset信号为1时，清除所有内存数据。 - 写使能WE有效时，可以写入数据到指定地址。 - 读取指定地址的数据。 7. **EXT功能**： - 实现16位立即数的无符号或符号扩展至32位。 8. **Controller功能**： - 解析指令的6位操作码和功能码，生成相应的控制信号，如ALU操作、GRF和DM的写使能，以及beq检测。 以上是Logisim单周期CPU设计的核心组成部分及其功能。这些模块协同工作，使得CPU能够正确执行指令集中的各种操作，实现程序的运行。