Design a Computer

github: https://github.com/naughtz/design-a-computer

本项目使用vivado2018.2进行开发，使用的开发板为EGO1。实现了16条MIPS指令，并用这些指令实现二叉树中序遍历的功能。CPU的设计、测试与voldemortX及小组成员们共同完成。

实现内容

指令集

功能

• 输入：
  • 内存中事先保存好一棵二叉树，每个节点至少包括3个域：指向左子树的指针、指向右子树的指针、一个ASCII码值表示的字母(互不相同)
  • 按中“中”键开始运行程序
• 处理：
  • 对该二叉树进行中序遍历
• 输出：
  • 处理完毕，数码管显示"in"
  • 从结果序列的第1项开始，每按一次“右”键，数码管依次向后显示下一个结点的字母，按“左”键可回看之前的各项

设计

数据通路图

状态转换图

编址

• I/O与主存统一编址
• 使用一块1024*32ROM作为指令存储器，一块1024*32RAM作为数据存储器
• ROM首地址为0H，RAM首地址为400H
• led灯地址为3FF0H，按键地址为3FF1H，数码管地址为3FF2H
• 为了方便，采用32位地址线

指令执行

• add: 指令进入指令寄存器，31-26位op及5-0位funct送至控制器，25-21位、20-16位分别送至寄存器读地址Ra1、Ra2，读出数据至A、B寄存器，再进入运算器的a、b操作数，得出结果送回寄存器写数据Wd，此时寄存器写地址为指令15-11位，至此rs+rt=>rd指令完成。
• addi: 指令进入指令寄存器，31-26位op及5-0位funct送至控制器，25-21位送至寄存器读地址Ra1，读出数据至A寄存器，再进入运算器的a操作数，15-0位立即数符号扩展后进入运算器的b操作数，得出结果送回寄存器写数据wd，此时寄存器写地址为指令20-16位，至此rs+imm16=>rt指令完成。
• bne: 指令进入指令寄存器，PC的值进入运算器的a操作数，指令15-0位offset进入运算器的b操作数，求和后存入ALUout，作为若需修改PC时的PC来源；31-26位op及5-0位funct送至控制器，25-21位、20-16位分别送至寄存器读地址Ra1、Ra2，读出数据至A、B寄存器，再进入运算器的a、b操作数，将零标志位取反后与PCWC2相与，控制PC是否修改。
• 其它指令类似，根据图可容易地理出执行流程。

汇编算法

• 二叉树的每个结点由3个字组成，第一个字为左子树地址，第二个字为该结点表示字母的ASCII码，第三个字为右子树地址
• 使用递归算法，需在内存开一个栈用于保存每次递归返回的地址及参数
• 出栈顺序即为中序遍历顺序，将其保存在连续的一段内存中，方便查看结果
• 具体代码见"汇编"文件夹

注意

按键

• EGO1开发板的reset键默认为高电平，按下为低电平；五个通用按键默认为低电平，按下为高电平。

访存时间

• 我们采用了ROM与RAM的IP核，测试时发现访存时间不稳定，于是将CPU频率降至主存频率的一半，以解决此问题。

指令

• 本项目只实现了16条指令，如果使用一些软件进行汇编-机器的翻译，某些特殊情况会出现翻译出不在这16条指令中的指令(如：翻译软件检测到它认为不能实现的操作，翻译时自动寻找替代的指令)

参考文献

• [1]David,A.Patterson&John,L.Hennessy: Computer Organization And Design 3th[M]. San Francisco: Margan Kaufmann, 2005