2.3.实验原理

实验完整原理图如上图所示，根据原理图可将5个模块连接并完成实验。下面分别介绍各模块原理。

取指阶段原理

如上图所示，PC为32bit(1 word)的寄存器，其存放指令地址，每条指令执行完毕后，增加4，即为下一条指令存放地址。指令地址传入指令存储器，即可取出相应地址存放的指令。

需要注意的是，MIPS架构中，采用字节读写，1 32bit word = 4 byte，故需要地址+4来获取下一条指令。

指令译码原理

如上图所示，32位MIPS指令在不同类型指令中分别有不同结构。但[31:16]表示的opcode，以及[5:0]表示的funct，为译码阶段明确指令控制信号的主要字段。下表为Opcode及funct识别得到的部分信号，详细信号表参照课本及课堂Slides。

opcode	aluop	operation	funct	alu function	alu control
lw	00	load word	XXXXXX	add	010
sw	00	store word	XXXXXX	add	010
beq	01	branch equal	XXXXXX	subtract	110
R-type	10	add	100000	add	010
		subtract	100010	subtract	110
		and	100100	and	000
		or	100101	or	001
		set-on-less-than	101010	slt	111

控制器实现原理

信号	memtoreg	memwrite	pcsrc	alusrc	regdst	regwrite	jump	alucontrol
显示位置	led[0]	led[1]	led[2]	led[3]	led[4]	led[5]	led[6]	led[7:9]
含义	回写到寄存器堆	需要写数据存储器	PC正常+4还是要跳转，0为正常+4，1为跳转	需要进行立即数的32位扩展作为第二操作数	指令读取时判断是rt还是rd进入寄存器组的写数据端,0为rt,1为rd	需要写寄存器的指令	J指令	R-类型运算指令对应具体的运算，+、-、|、&等命令

分析数据通路图，判断指令是否需要写寄存器、访存等等操作，以产生相应的控制信号。

总体框架及通路图

上图为完整的单周期CPU实现框架图，将controller、存储器、datapath分别进行模块化处理，将相关信号关联后，即可完成完整的MIPS处理器。本次实验将灰色线框内的部分精简，剩余部分即为实验原理图。下图为详细数据通路中本次实验的标记。

本次实验完成图中除灰色部分外的大部分功能，能够完成简单的取指译码通路。本图供单条指令所需控制信号的分析使用。