单周期MIPS CPU设计-8条指令（第8关）

在第8关中，我们需要设计一个单周期MIPS CPU，支持以下8条指令：

1. ADD $1, $2, $3
2. SUB $4, $5, $6
3. ADDI $7, $8, 10
4. LW $9, 100($10)
5. SW $11, 200($12)
6. BEQ $13, $14, label
7. J label
8. JR $15

其中，ADD和SUB指令为R型指令，ADDI为I型指令，LW和SW为加载/存储型指令，BEQ为分支型指令，J和JR为跳转型指令。

我们可以根据指令的类型分别设计对应的控制信号和数据通路，具体实现如下：

1. ADD $1, $2, $3
指令格式：R型指令
操作：将$2和$3的值相加，结果存储在$1中
控制信号：RegWrite=1，ALUSrcA=0，ALUSrcB=10，ALUOp=00，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=1
数据通路：从寄存器文件读取$2和$3的值，将它们输入ALU，ALU进行加法运算，结果写入寄存器$1中

2. SUB $4, $5, $6
指令格式：R型指令
操作：将$5和$6的值相减，结果存储在$4中
控制信号：RegWrite=1，ALUSrcA=0，ALUSrcB=10，ALUOp=10，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=1
数据通路：从寄存器文件读取$5和$6的值，将它们输入ALU，ALU进行减法运算，结果写入寄存器$4中

3. ADDI $7, $8, 10
指令格式：I型指令
操作：将$8的值加上常数10，结果存储在$7中
控制信号：RegWrite=1，ALUSrcA=0，ALUSrcB=01，ALUOp=00，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=1
数据通路：从寄存器文件读取$8的值，将它与常数10输入ALU，ALU进行加法运算，结果写入寄存器$7中

4. LW $9, 100($10)
指令格式：加载型指令
操作：将存储器地址$10+100处的值加载到$9中
控制信号：RegWrite=1，ALUSrcA=1，ALUSrcB=00，ALUOp=00，MemWrite=0，MemRead=1，RegDst=0
数据通路：从寄存器文件读取$10的值，将它与常数100输入ALU，ALU进行加法运算得到存储器地址，将地址输入存储器，将读取到的值写入寄存器$9中

5. SW $11, 200($12)
指令格式：存储型指令
操作：将$11的值存储到存储器地址$12+200处
控制信号：RegWrite=0，ALUSrcA=1，ALUSrcB=00，ALUOp=00，MemWrite=1，MemRead=0，RegDst=X
数据通路：从寄存器文件读取$12的值，将它与常数200输入ALU，ALU进行加法运算得到存储器地址，将地址和$11的值输入存储器，将存储器的写使能信号打开

6. BEQ $13, $14, label
指令格式：分支型指令
操作：如果$13和$14的值相等，则将PC设置为label的地址
控制信号：RegWrite=0，ALUSrcA=0，ALUSrcB=00，ALUOp=01，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=X，Branch=1，Jump=0
数据通路：从寄存器文件读取$13和$14的值，将它们输入ALU，ALU进行比较，如果结果为真，则将PC设置为label的地址

7. J label
指令格式：跳转型指令
操作：将PC设置为label的地址
控制信号：RegWrite=0，ALUSrcA=0，ALUSrcB=00，ALUOp=00，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=X，Branch=0，Jump=1
数据通路：将PC的高四位与label的高四位拼接，得到跳转地址

8. JR $15
指令格式：跳转型指令
操作：将PC设置为$15的值
控制信号：RegWrite=0，ALUSrcA=0，ALUSrcB=00，ALUOp=00，MemWrite=0，MemRead=0，RegDst=X，Branch=0，Jump=1
数据通路：从寄存器文件读取$15的值，将它作为跳转地址