| 组员 | 负责模块 | 贡献比 |
|---|---|---|
| 12111114 高自然 | CPU架构，外设 | 33.3% |
| 12112328 郑祖彬 | MIPS测试代码 | 33.3% |
| 12112411 李达辉 | CPU架构 | 33.3% |
| Instruction | Type | Description | Op code | Func code |
|---|---|---|---|---|
| beq | I | branch on equal | 000100 | - |
| bne | I | branch on not equal | 000101 | - |
| lw | I | load word | 100011 | - |
| sw | I | store word | 101011 | - |
| addi | I | add immediate word | 001000 | - |
| addiu | I | add immediate unsigned word | 001001 | - |
| slti | I | set on less than immediate | 001010 | - |
| sltiu | I | set on less than immediate unsigned | 001011 | - |
| andi | I | and immediate | 001100 | - |
| ori | I | or immediate | 001101 | - |
| xori | I | exclusive or immediate | 001110 | - |
| lui | I | load upper immediate | 001111 | - |
| sll | R | shift left logically | 000000 | 000000 |
| srl | R | shift right logically | 000000 | 000010 |
| sllv | R | shift left logical variable | 000000 | 000100 |
| srlv | R | shift right logical variable | 000000 | 000110 |
| sra | R | shift right arithmetically | 000000 | 000011 |
| srav | R | shift right arithmetically variable | 000000 | 000111 |
| jr | R | jump register | 000000 | 001000 |
| add | R | add | 000000 | 100000 |
| addu | R | add unsigned | 000000 | 100001 |
| sub | R | sub | 000000 | 100010 |
| subu | R | sub unsigned | 000000 | 100011 |
| and | R | and | 000000 | 100100 |
| or | R | or | 000000 | 100101 |
| xor | R | exclusive or | 000000 | 100110 |
| nor | R | not or | 000000 | 100111 |
| slt | R | set less than | 000000 | 101010 |
| sltu | R | set less than unsigned | 000000 | 101011 |
| j | J | jump | 000010 | - |
| jal | J | jump and link | 000011 | - |
参考的ISA architecture为Minisys的MIPS指令架构，支持31条MIPS指令。
对 lw 和 sw 的实现方式进行了修改，使得可以支持MMIO功能。
数量：32 个，位宽：32 位
软硬件协同，由软件进行异常处理，硬件进行异常显示。可以进行负数检测，overflow检测等。
-
结构：Harvard Architecture
-
寻址单位：32 bits
-
指令空间大小：16384 * 4 bytes
-
数据空间大小：16384 * 4 bytes
| 外设 | 描述 | 地址 | IO位宽 |
|---|---|---|---|
| switch | input 开关 | FFFFFC60 | 16 bits |
| key_pad | input 键盘 | FFFFFC64 | 16 bits |
| led light | output 显示数据的led灯 | FFFFFC68 | 16 bits |
| segment light | output 数码管 | FFFFFC6C | 16 bits |
| led test case | output 显示test case 的led灯 | FFFFFC70 | 3 bits |
| IO ready | input IO 完成信号（按钮） | FFFFFC80 | 1 bit |
采用轮询的方式访问IO，每次需要访问IO时，在软件代码中加入一个循环，判断访问IO ready返回的值是否为1，如果为1则进行后续的IO操作。IO ready的值和硬件上的一个按钮绑定，代表IO已经输入或准备完成，可以进行读入或写出。
单周期CPU，不支持pipeline，CPI = 1。
-
时钟：连接Minisys自带时钟，在硬件代码中使用IP核将时钟周期转为10MHz。
-
复位：分为upg_rst和reset信号，分别连接Minisys上的两个按键。upg_rst信号重置uart的读入，reset信号重置CPU运行。
-
小键盘：采用
keypad_n与pad_decode类共同实现，其中kepad_n类对键盘获取信号进行直接处理，生成单一输出信号，其中0-9输出信号0-9，#输出信号14，无按钮按下输出信号15，输出信号传递至pad_decode中进行解码，输出信号为按时间顺序输入的最后四个数与他们的10进制和表示,具体实现如下：- keypad_n：
输出信号：o1 line 输入信号：row clk 未处理的键盘输出信号 列扫描信号 行电平信号 时钟信号 建立针对列的扫描信号，其中激活信号为0，构建的信号为2‘b0111，2‘b1011，2‘b1101，2‘b1110，逐列激活按钮后在输出端接受按钮信号，如键盘输出端检测到低电平信号，则检测判断按下按钮，将输出端o1的值修改为当前值，否则改为default。
- pad_decode：
输出信号：o1~o8 o_4 输入信号：in clk rst 最后8个输入的信号 最后四个输入的信号 未处理键盘输出信号 时钟信号 重置信号 in信号来自keypad_n，o_4为十进制信号。
每次in输入信号改变时将输出信号左移一位，空出来的信号端被in信号赋值。
为了避免键盘信号不稳定导致的抖动，加入防抖模块：具体为在in信号发生改变时在每个时钟上升沿将cnt信号加一，当cnt大于1000时认定为按钮被按下，如果in信号发生改变后回到default状态，则在每个时钟上升沿将cnt信号减一直至cnt信号值为0。
-
七位数码管：
使用模块
num_gif1将数字转化为数码管点亮信号输出信号：high value 输入信号：n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8 clk 片选扫描信号 Led复制信号 输入的应显示的数字 时钟信号 -
led_test 测试灯：
输出信号：led_light 输入信号：wdata led_tctrl clk 显示测试样例号，3位 输出信号（样例号） led_test控制信号 时钟信号 -
led_light 显示灯
输出信号：led_light 输入信号：wdata ledctrl clk 显示输出数据，16位 输出信号（输出数据） led控制信号 时钟信号 -
uart通信：
板载协议部分
输出信号：uart_txd 输入信号：uart_data uart_ctrl clk uart输出信号 等待发送的数据 控制信号 时钟信号 当检测到控制信号上升沿时，将uart_data中的信号按顺序在输出信号中输出。
电脑协作部分
serial_port = serial.Serial( port="COM8", baudrate=12800, bytesize=serial.EIGHTBITS, parity=serial.PARITY_NONE, stopbits=serial.STOPBITS_ONE, )#初始化串口 data = serial_port.read()#获取串口数据
-
按钮防抖：
输出信号：out 输入信号：in clk 处理后的按钮信号 按钮输入信号 时钟信号 为了避免按钮信号不稳定导致的抖动，加入防抖模块：
具体为以下伪代码：
在每个clk信号上升沿：判断in信号是否为1： 如果in为1： 如果cnt信号为1000： 则将输出信号设为1 否则： cnt++ 否则： 如果cnt信号为0： 则将输出信号设为0 否则： cnt--
CPU内部各子模块规格、说明与连接关系图
| 测试方法 | 测试类型 | 测试用例描述 | 测试结果 |
|---|---|---|---|
| 上板 | 单元（拨码开关、LED灯） | 拨动拨码开关，控制对应LED灯亮灭 | 通过 |
| 上板 | 单元（七段数码管） | 七段数码管每隔1秒显示数字加1，从0开始 | 通过 |
| 上板 | 单元（小键盘） | 按下小键盘，七段数码管同步显示对应数字 | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a（仅识别a的低7bit），输入完毕后在led灯上显示a，同时用1个led灯显示a的奇校验结果：a=$(11111111)_2$, a=$(10111111)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a（识别a的完整8bit），输入完毕后在led灯上显示a，同时用1个led灯显示a的奇校验结果：a=$(11111111)_2$, a=$(10111111)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，计算 a 和 b的按位或非运算，将结果显示在LED灯：a=$(00000101)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，计算 a 和 b的按位或运算，将结果显示在LED灯：a=$(00000101)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，计算 a 和 b的按位异或或运算，将结果显示在LED灯：a=$(00000101)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，将a和b按照无符号数进行比较，用LED灯展示a<b的关系是否成立：a=$(01111111)_2$, b=$(11111111)_2$；a=$(00000010)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，将a和b按照有符号数进行比较，用LED灯展示a<b的关系是否成立：a=$(01111111)_2$, b=$(11111111)_2$；a=$(00000010)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a, 用拨码开关输入测试数b，在LED灯上展示a和b的值：a=$(11111111)_2$, b=$(10111111)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入输入a的数值（a被看作有符号数），计算1到a的累加和，在LED灯上显示累加和（如果a是负数，以LED灯闪烁的方式给与提示）：a=$(10000000)_2$, a=$(00000110)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用小键盘输入a的数值（a被看作无符号数），七段数码管同步显示a的数值。以递归的方式计算1到a的累加和，累加和用LED灯表示。记录本次入栈和出栈次数，在七段数码管和LED灯同步上显示入栈和出栈的次数之和：a=$(00000110)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | **（bonus测试用例）**用小键盘输入a的数值（a被看作无符号数），七段数码管同步显示a的数值。以递归的方式计算1到a的累加和，记录入栈和出栈的数据，在七段数码管，LED灯，PC终端屏幕上显示入栈的参数，每一个入栈的参数显示停留2-3秒：a=$(00000110)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用小键盘输入a的数值（a被看作无符号数），七段数码管同步显示a的数值。以递归的方式计算1到a的累加和，记录入栈和出栈的数据，在七段数码管，LED灯上显示出栈的参数，每一个出栈的参数显示停留2-3秒：a=$(00000110)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a和测试数b，实现有符号数（a，b以及相加和都是8bit，其中的最高bit被视作符号位，如果符号位为1，表示的是该负数的补码）的加法，并对是否溢出进行判断，LED灯显示运算结果以及溢出判断：a=$(01111111)_2$, b=$(01111111)_2$；a=$(00000010)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a和测试数b，实现有符号数（a，b以及相减差都是8bit，其中的最高bit被视作符号位，如果符号位为1，表示的是该负数的补码）的减法，并对是否溢出进行判断，LED灯显示运算结果以及溢出判断：a=$(01111111)_2$, b=$(11111110)_2$；a=$(00000010)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a和测试数b，实现有符号数（a，b都是8bit，乘积是16bit，其中的最高bit被视作符号位，如果符号位为1，表示的是该负数的补码）的乘法，LED灯显示乘积：a=$(11111111)_2$, b=$(00100000)_2$；a=$(00000010)_2$, b=$(00000011)_2$ | 通过 |
| 上板 | 集成 | 用拨码开关输入测试数a和测试数b，实现有符号数（a，b，商和余数都是8bit，其中的最高bit被视作符号位，如果符号位为1，表示的是该负数的补码）的除法，LED灯显示商和余数（商和余数交替显示，每个结果显示持续5秒）：a=$(00000111)_2$, b=$(00000010)_2$；a=$(00000101)_2$, b=$(11111110)_2$ | 通过 |
测试结论：所有测试用例结果均为通过，CPU设计合理，实现了基本以及bonus的功能和效果。
-
设计思路：debug_bridge_for_cpu
将电脑（或者任何可以接受uart信号的设备）作为一个信息展示设备，使用mmio的方式将cpu上任意内存区域内的某块内存通过uart传输至电脑上，以此展示与测试存储在内存中的数据。
-
核心代码
python部分：
import time import serial print("BEGIN RECEIVE DATA") serial_port = serial.Serial( port="COM8", baudrate=12800, bytesize=serial.EIGHTBITS, parity=serial.PARITY_NONE, stopbits=serial.STOPBITS_ONE, ) # Wait a second to let the port initialize time.sleep(1) try: def data1(): data=None while data is None: if serial_port.inWaiting() > 0: data = serial_port.read() return ord(data) print(f'this is the {data1()}-th case') print(f'入栈的参数{data1()}') while True: a=data1() print(f'当前参数{a}') if a == 0: print(f'入栈完毕') break except KeyboardInterrupt: print("Exiting Program") except Exception as exception_error: print("Error occurred. Exiting Program") print("Error: " + str(exception_error)) finally: serial_port.close() pass
-
场景说明
通过测试2中的第2个测试实例展示功能：
在LED上与数码管上显示数字的同时通过uart传输数据，并与电脑的uart数据接收端配合展示数据。 -
测试结果
开始运行时显示
BEGIN RECEIVE DATA收到样例时显示
this is the 2-th case收到入栈请求显示
入栈的参数{data}后续会显示
当前参数{data}直至data==0，显示
入栈完毕
- 如果IO在收到IO指令后立刻执行，很可能会将未输入时的数据（例如开关的初始值是全0）作为输入数据进行运算，得出错误的结果。因此，在硬件中分配一个按钮作为IO ready信号，软件编写中在需要访问IO时先轮询该信号，在IO ready信号为1（按钮被按下）时，才将输入设备的内容读入。
- IO ready信号持续的时间会影响后续的IO指令，如果IO ready存在的时间过长，可能会使得后续未ready的IO也被该信号影响。最初我们希望使用硬件解决，但时间控制比较困难，后来使用软件硬件结合的方法，在IO后插入空指令，确保一次IO ready信号只对一次IO起作用。结果IO读入很稳定，问题得到解决。
- 七段数码管使用视觉暂留的现象来进行同时显示，控制数据变化的时钟和控制显示的时钟可能产生冲突，造成重影等问题。
- 最后让控制数据变化的时钟使用高频率，控制显示的时钟使用较低的频率，解决了这个问题。
- 需要进行良好的顶层设计，确定好各个模块需要负责的功能，需要发送到不同模块和从不同模块接收的信号。
- 不同模块使用的相同信号最好使用相同的命名，方便在cpu_top编写时方便连接各个模块。
- 由于这两个模块均使用了uart_tx作为输出信号，故需要调节：在uart初始化完毕后会向cpu发送完成指令，此时将tx切换至uart_tx进行输出。