# 使用logisim搭建單週期CPU與新增指令 ## 搭建 ### 總設計 借用高老闆的圖，我們只需要分別做出PC、NPC、IM、RF、EXT、ALU、DM、Controller模組即可，再按圖連線，最後進行控制訊號的處理，一個CPU就差不多搭完了。目前支援的指令集為{addu、subu、ori、lw、sw、beq、jal、jr、nop、lui、sb、lb、sh、lh}  下面分模組逐個分析 ### PC 本質上就是一個32位的暫存器，這裡採用的是非同步復位，所以直接把reset訊號連在clear口。  ### NPC 由於我的CPU支援beq、jal、jr，所以NPCOp有2位，如下表所示 | NPCOp | 功能 | | :---: | :------------------: | | 00 | 計算順序地址（PC+4） | | 01 | 計算beq地址 | | 10 | 計算jal地址 | | 11 | 計算jr地址 |  其中PC4是用來把PC+4輸出至RF以完成jal指令  ### IM 這個就更簡單了，直接一個ROM搞定，注意把PC的2~6位引出作為IM的地址。  ### RF 這個比較耗時間，聽說用vscode開啟.circ檔案就可以寫程式碼去搭建這玩意，開啟後發現3k行程式碼，直接反手關掉vscode繼續手動連線。連完應該差不多這個樣子。  外部看起來是這樣子的，RD1輸出A1對應暫存器的值，RD2輸出A2對應暫存器的值，當寫使能訊號WE3有效時，將在時鐘上升沿把WD3寫入A3對應的暫存器。  ### EXT 將imm16擴充套件後輸出。由於我的lui是使用的EXT載入到高位（好像說其實應該用ALU實現？），因此我的EXT有3個功能分別是無符號擴充套件、符號擴充套件、左移16位。  ### ALU 根據ALUOp進行不同的運算即可，這裡加法和減法用的一個加法器（A-B=A+~B+1）,但是好像這樣不太好擴充套件（？）  ### DM 本來是一個非常簡單的RAM，但是由於做了lb、sb、lh、sh，就得對DM前後加上組合邏輯以保證不改變其他位的資料。這裡用兩個控制訊號，SSel控制store時的位寬，LSel控制Load時的位寬。（其實用一個控制訊號就可以，當時做的時候傻了一下用了兩個） 使用一個譯碼器，選擇被替換的那一段，如sb時，A的0~1位為01，那麼就會將DM中的對應地址的32位資料中的8~15位替換成WD的低8位，再存入DM，這樣就保證了僅讀入一個位元組而對其他位不改變，即實現了sb。  ### Controller 使用了最簡樸的方法，搭建時可以先用小手把opcode和funct點成要新增的指令，然後再連接出該指令。如果opcode是000000，那麼再與funct得出的訊號並起來，即得到該指令，如圖中的addu和subu。  得到指令後，再根據列的真值表，把在真值表中是1的連上 如對於NPCOp[1:0]，只有beq時為01，只有jal時為10，只有jr時為11，也就是NPCOp[0]僅在beq和jr時取1，NPCOp[1]僅在jal和jr時取1，所以把他們連線起來即可，如下圖。  對於每一個控制訊號都如此連線，即可完成CPU的搭建。 ## 新增指令 ### 注意事項 - 在改變與門或者或門的輸入資料個數時，建議從奇數個到奇數個，否則可能出現這樣的情況：如我有一個5input的或門，如下  現在要新增第6個input，如果直接改成6input，那麼如圖所示  發現中間的空掉了  而如果遵循奇數個改奇數個的原則就不會出錯，如將number of input改成7就如下圖所示，中間的連上了。  ### eg：新增addiu #### 首先分析資料通路 判斷是否需要增加新的通路以實現該指令，可以看出其需要的功能我的CPU都有了，因此直接修改控制訊號即可  #### 確定控制訊號 對於NPCOp，這不是一個跳轉指令，因此NPCOp取00 對於RFWr，要回寫到R[rt]，因此RFWr為1 對於EXTOp，要進行符號擴充套件，所以取01 對於ALUOp，加法，所以取00 對於DMWr，不用寫入DM，所以取0 對於WRSel，由於寫入的是R[rt]，所以取01 對於WDSel，由於寫入的資料來自ALU的計算結果，所以取00 對於BSel，由於參與ALU計算的第二個數來自EXT，所以取1 對於SSel和LSel，由於不涉及半字或位元組，都取00 #### 新增指令訊號 首先將opcode點成該指令  然後再連接出addiu  這時候由於opcode即addiu指令，應該只有addiu是亮的。 #### 修改控制訊號 得到addiu訊號後，僅需要在addiu控制訊號為1的對應位置連線即可，如addiu只有RFWr、EXTOp[0]、WRSel[0]、BSel為1，所以只需要將他們的或門新增一根線與addiu訊號連線。連線完成後，應檢查一遍此時的控制訊號是否與之前分析的一樣。   可以看到與之前分析的完全一樣，至此addiu的新增