logisim_simple_cpu

I designed a simple ISA and cpu by logisim.

这是一个简单的从设计ISA到利用ligisim软件设计CPU的项目。我们将首先定义自己简单的ISA，然后在此基础上完成一个8bit的CPU。

目录

ALU.circ 			// CPU的成品设计文件
logisim-win-2.7.1 	// logisim软件
instr 				// 测试CPU的指令文件

ISA设计

设计二进制代码为20位

• operation code ：[0:3]
• 设置三个寄存器操作数，两个操作数将结果存储在一个输入寄存器中。
• 每个寄存器占4位，即2^4=16 个寄存器

name	op[0:3]	[4:7]	[8:11]	[12:15]	[16:19]	description
add	0000	rs	rt	rd	0000	Arithmetic addition(rs = rt+rd)
incre	0001	rs	rt	0000	0000	increment(rs = rt+1)
decre	0010	rs	rt	0000	0000	decrement(rs = rt-1)
cmp	0011	rs	rt	rd	0000	comparison(with 3 output:equals in rs[0], less than in rs[1], greater than in rs[2] )
not	0100	rs	rt	0000	0000	logic bitwise not(rs = not rt)
and	0101	rs	rt	rd	0000	rs = rt and rd
or	0110	rs	rt	rd	0000	rs = rt or rd
rls(right logic shift)	0111	rs	rt	rd	0000	rs = rt >> rd
lls(left logic shift)	1000	rs	rt	rd	0000	rs = rt << rd
lw	1001	rs	rt(base)	offset	offset	rs = mem[rt+offset]
sw	1010	rs	rt(base)	offset	offset	mem[rt+offset] = rs
addi	1011	rs	rt	imm	imm	rs = rt+ imm
andi	1100	rs	rt	imm	imm	rs = rt and imm
ori	1101	rs	rt	imm	imm	rs = rt or imm
JMP	1110	instr_index[0:3]	instr_index[4:7]	instr_index[8:11]	instr_index[12:15]
CJMP	1111	offset[0:3]	rt	rd	offset[4:7]	cjmp rs,rd,pc;offset; rt == rd: j (offset) else:continue

CPU设计

设计参考mips的单周期CPU设计

• 分为 取指、译码、控制、regfile寄存器堆、dataram几个模块。
• 输入clk信号（暂时是输入端口，方便手动调试，未用clock模块）
• 输入复位信号
• 输出指令、pc、写回寄存器堆数据、branch的pc、jump的pc、instr的译码结果、regfile读出结果

调试

如下设计了一组能够测试大部分设计的代码。

instruction ram中装入的测试指令如下，依次：行号 | 汇编代码 | 二进制机器码 | 十六进制机器码

0 : addi $s1,$0,5       00000101000000011011 501b
1 : addi $s2,$0,7       00000111000000101011 702b
2 : or   $s3,$s2,$s1    00000001001000110110 1236
3 : cjmp $s3,$s0,7      01110000001100001111 7030f
4 : and  $s4,$s0,$s2    00000010000001000101 2045
5 : cjmp $s4,$s0,7      01110000010000001111 7020f
6 : add  $s5,$s1,$s2    00000010000101010101 2155
7 : jmp  9              10010000000000001110 9000e
8 : add  $s6,$s1,$s2    00000010000101100000 2160
9 : add  $s7,$s1,$s2    00000010000101110000 2170
10: add  $s8,$s1,$s2    00000010000110000000 2180

调试步骤：

1. 将instr文件载入instr mem中
2. 选择logisim的手掌方式
3. 点击复位
4. 点击clk输入模块模拟时钟上升沿触发cpu
5. 查看寄存器的输入输出是否正确，写回数据是否正确，跳转pc是否正确

缺陷（埋坑）

1. 在大小端的设计上，在logisim中从ram中读取出来的是大端方式，故在将汇编指令翻译为机器码时采用相反设计时的从低到高，将op放在[16:19]位置，然后左侧是rs rt rd的顺序，如此在logisim中读出来op会在[0:3]位。

参考引用：

https://vlab.ustc.edu.cn/guide/doc_logisim.html

http://www.doc88.com/p-1466403426738.html

https://blog.csdn.net/Hi_KER/article/details/120928866

https://blog.csdn.net/Hi_KER/article/details/121044637

https://blog.csdn.net/sinat_42483341/article/details/88849892?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522164051235016780269898138%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=164051235016780269898138&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduend~default-3-88849892.first_rank_v2_pc_rank_v29&utm_term=LogiSim+CPU&spm=1018.2226.3001.4187