基于VHDL语言的单周期MIPS微处理器设计
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2011-03-29
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深圳大学研究生课程论文
基于 VHDL 语言的单周期 MIPS 微处理器设计
MIPS 单周期方案是 MIPS 子集最简单的实现方案，主要设计了 12 个模块和一个顶
层文件，实现的指令包括取字(lw)，存字(sw)，等值分支(beq)，不等值则分支(bne)，和
算术逻辑指令 add、sub、and、or、nor、逻辑左移(sll)、逻辑右移(srl)和小于则置位
(slt)，立即数指令 ori、andi、addi, 跳转指令(J)共 16 条指令。以下是实现方案的各个模
块。
一、 程序计数器(PC)
PC 其实就是一个 D 触发器，当复位信号(reset)来的时候，同时时钟也到了的时候，
把输入(pc_in)给输出(pc_out)，复位的第一个输出是从 x’0000’开始，下面是这个模块的
实现代码：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity PC is
port( pc_in : in std_logic_vector(31 downto 0);
pc_out : out std_logic_vector(31 downto 0);
clk : in std_logic;
reset : in std_logic);
end PC;
architecture Behavioral of PC is
begin
process(clk,reset,pc_in)
begin
if reset='1' then pc_out<="00000000000000000000000000000000";
elsif clk='1' and clk'event
then pc_out <= pc_in;
end if;
end process;
end Behavioral;
二、 指令地址的计算模块
这个模块的功能是计算指令的地址，由于所选的指令原因，所以有三种指令地址
来源，首先是普通指令的递增，即 PC+4，执行完一条指令后跳转到下一条继续执行；
第二种是相等则分支和不等则分支指令，通过 ALU 的输出 Zero 和控制单元的控制信号
(Branch)相与判断是否选择分支目标地址，分支目标地址的计算方式是： PC+4 的值与
符号扩展并左移 2 位后的指令低 16 位的值相加；第三种是跳转指令 J，跳转指令是无
条件的不同于分支指令，32 位的地址的低 28 位来自 26 位立即数字段左移两位所得，
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