Mini MIPS 32-bits CPU

32位单周期MIPS指令集CPU，仅仅支持10条指令：

• lw, sw
• lui, ori, addiu
• addu, slt
• beq, bne, j

具体实现可见：Mini-Mips32

顶层模块：

CPU模块：

控制单元：

数据通路：

lw

lw指令为访存指令，当CPU根据instr解析其为lw指令的时候，首先将instr送入控制单元将其解析并将其控制信号输入数据通路。到达数据通路，首先经过reg_file，在reg_file从a1读入base寄存器的值作为src_a，将instr[15 : 0]符号扩展作为src_b。src_a与src_b经过ALU进行运算，这时alu_control表明进行加法运算，进行运算后作为读内存地址送入RAM并读取该地址的值，在之后将读到的值作为write_reg_data根据instr[20 : 16]作为写入寄存器的编号写到目标寄存器中，随后等下一个时钟沿到来的时候将pc+4并送给iaddr并进行下条指令的取指。

sw

sw指令大体与lw指令相同，不同之处在于从rt的寄存器中取出值将其写入base寄存器加上offset的内存地址中。

lui

lui指令将立即数imm写入寄存器rt的高16位，寄存器rt的低16位置0。在我的实现中，设计了一个select_imm的控制位，当select_imm为1时，将imm放在高16位，低16位置0作为sign_imm。此时ALU不做任何事，仅仅返回src_b。随后将值写入rt寄存器中。

ori

ori指令较为简单，只需从rs中取出值并与sign_imm进行或运算写入rt寄存器即可。

addiu

addiu指令将从rs寄存器中取出的值与sign_imm的值送入ALU相加并写入rt寄存器中。

addu

addu为R类型指令，根据funct来判断其alu_control。此时分别从rs和rd寄存器中取出的值进行相加并将其写入rt寄存器中。

slt

slt寄存器将rs寄存器中的值与rt寄存器中的值进行有符号数比较（此时将通过ALU的比较进行），若rs中的值较小，则将rd寄存器写入1，否则写入0。

beq

beq指令将rs寄存器与rt的寄存器进行比较，若相等则进行分支跳转。此时比较是通过ALU的减法操作来进行的，当zero为0时，则进入分支指令，此时分支指令的地址由offset左移两位进行符号扩展加上该分支指令对应的延迟槽的PC计算得到。

bne

与beq指令大体相同，只不过变为了不相等则跳转。我们branch由两位组成。计算式为alu_res = (zero & branch[0]) | (~zero & branch[1])。

j

无条件跳转，设置jump控制位，任何条件下都进行分支跳转。