CPU设计文档1

在本文中，我们将深入探讨一个基于Logisim的单周期CPU设计，主要关注其关键组件：IFU（取指令单元）、GRF（通用寄存器组）、ALU（算术逻辑单元）、DM（数据存储器）、EXT（立即数扩展器）以及Controller（控制器）。每个组件都有其特定的功能和端口定义，它们协同工作以实现CPU的基本操作。 1. IFU（取指令单元） IFU是CPU的第一步，负责从内存中获取指令。它由PC（程序计数器）和IM（指令存储器）组成。IFU有三个端口定义： - ifJI1：指示当前指令是否为J型指令。 - ifBcomI1：检查指令是否满足跳转条件。 - resetI1：异步复位信号，用于初始化PC为0x00000000。当复位信号有效时，PC被设置为0；当时钟上升沿到来，IFU根据PC的低4位从IM读取指令。如果指令满足跳转条件，PC会根据指令中的立即数或J型指令的32位地址进行更新。 2. GRF（通用寄存器组） GRF存储数据，包括读取和写入操作。它有五个输入端口（A1, A2, A3, Data, WE）和两个输出端口（RD1, RD2）。当复位信号有效时，所有寄存器数据清零。读操作从指定的寄存器中读取数据，写操作在WE信号有效时，将Data写入A3指定的寄存器。 3. ALU（算术逻辑单元） ALU执行基本的算术和逻辑运算。它有四个端口：AI32和BI32是输入，CO32是输出，notzeroO1用于判断运算结果是否为零。根据sel信号，ALU可以执行加法、减法、与、或操作，并不检查溢出。 4. DM（数据存储器） DM存储和检索数据。它接收地址（address），数据（data）和写入使能（WE）信号，当WE有效且时钟上升沿时，将data写入address指定的位置。读取操作时，从address读取数据并输出。 5. EXT（立即数扩展器） EXT将16位立即数扩展为32位。它有两个输入：AI16是16位立即数，selI2选择扩展方式（无符号、有符号、后接零符号扩展或加载高位）。EXT的输出BO32是扩展后的32位数值。 6. Controller（控制器） Controller解析指令并生成控制信号。它接收指令内容（Instr），然后根据opcode和func决定操作，例如选择GRF的B源、ALU操作、EXT扩展模式等。Controller的输出包括各种使能信号和选择器控制，以驱动整个CPU的执行流程。 通过这些组件，单周期CPU能够读取、解码指令，执行算术和逻辑操作，访问存储器，并根据条件进行分支。每个部分都有明确的职责，共同确保了CPU的正常运行。理解这些基本组件对于理解和设计CPU至关重要。