计算机组成原理实验报告-单周期CPU的设计与实现

1、电子科技大学计算机科学与工程学院标 准 实 验 报 告（实验）课程名称： 计算机组成原理实验 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学实 验 报 告学生姓名： 郫县尼克杨 学 号： 66 指导教师：陈虹实验地点： 主楼A2-411 实验时间：12周-15周一、 实验室名称：主楼A2-411二、 实验项目名称：单周期CPU的设计与实现。三、 实验学时：8学时四、 实验原理：（一） 概述指令0指令1指令5指令2指令41个时钟周期Clock单周期（Single Cycle）CPU是指CPU从取出1条指令到执行完该指令只需1个时钟周期。一条指令的执行过程包括：取指令分析指令取操作数执行指令保存结果

2、。对于单周期CPU来说，这些执行步骤均在一个时钟周期内完成。（二） 单周期cpu总体电路本实验所设计的单周期CPU的总体电路结构如下。（三） MIPS指令格式化MIPS指令系统结构有MIPS-32和MIPS-64两种。本实验的MIPS指令选用MIPS-32。以下所说的MIPS指令均指MIPS-32。MIPS的指令格式为32位。下图给出MIPS指令的3种格式。263125212016151110650oprsrtrdsafuncR型指令263125212016150oprsrtimmediateI型指令2631250opaddressJ型指令本实验只选取了9条典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电

3、路的设计方法。下图列出了本实验的所涉及到的9条MIPS指令。五、 实验目的1、掌握单周期CPU的工作原理、实现方法及其组成部件的原理和设计方法，如控制器、运算器等。2、认识和掌握指令与CPU的关系、指令的执行过程。3、熟练使用硬件描述语言Verilog、EDA工具软件进行软件设计与仿真，以培养学生的分析和设计CPU的能力。六、 实验内容（一）拟定本实验的指令系统，指令应包含R型指令、I型指令和J型指令，指令数为9条。（二）CPU各功能模块的设计与实现。（三）对设计的各个模块的仿真测试。（四）整个CPU的封装与测试。七、 实验器材（设备、元器件）：（一）安装了Xilinx ISE Design

4、Suite 13.4的PC机一台（二）FPGA开发板：Anvyl Spartan6/XC6SLX45（三）计算机与FPGA开发板通过JTAG（Joint Test Action Group）接口连接，其连接方式如图所示。八、 实验步骤一个CPU主要由ALU（运算器）、控制器、寄存器堆、取指部件及其它基本功能部件等构成。在本实验中基本功能部件主要有：32位2选1多路选择器、5位2选1多路选择器、32位寄存器堆、ALU等。（一）新建工程（New Project）启动ISE Design Suite 13.4软件，然后选择菜单FileNew Project，弹出New Project Wizard对

5、话框，在对话框中输入工程名CPU，并指定工作路径D:Single_Cycle_CPU。（二）基本功能器件的设计与实现（1）多路选择器的设计与实现a.5位2选1多路选择器（MUX5_2_1）的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：MUX5_2_1，然后输入其实现代码：module MUX5_2_1(input 4:0 A,input 4:0 B,input Sel,output 4:0 O );assign O = Sel ? B : A;endmodule在ISE集成开发

6、环境中，对模块MUX5_2_1进行综合（Synthesize），综合结果如图所示：在ISE集成开发环境中，对模块MUX5_2_1进行仿真（Simulation）。输入如下测式代码： module MUX5_2_1_T;/ Inputsreg 4:0 A;reg 4:0 B;reg sel;/ Outputswire 4:0 C;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)MUX5_2_1 uut (.A(A), .B(B), .sel(sel), .C(C);initial begin/ Initialize InputsA = 0;B = 0;sel = 0

7、;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; A = 5b10100;B = 0;sel = 1;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; A = 1;B = 5b10000;sel = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; A = 5b00000;B = 5b11000;sel = 1;/ Add stimulus hereendendmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示：b.32位2选1多路选择器的设计与实现在ISE集成开发环境中

8、，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：MUX32_2_1，然后输入其实现代码：module MUX32_2_1(input 31:0A ,input 31:0B,input sel,output 31:0 O );assign O= sel?B:A;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块MUX32_2_1进行综合（Synthesize），综合结果如图所示：在ISE集成开发环境中，对模块MUX32_2_1进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码： module MUX32_2_1_

9、T;/ Inputsreg 31:0 A;reg 31:0 B;reg sel;/ Outputswire 31:0 O;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)MUX32_2_1 uut (.A(A), .B(B), .sel(sel), .O(O);initial beginA=0;B=0;sel=0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100;A=32h;B=32h;sel=1;#100;A=32h;B=32h;sel =0; / Add stimulus hereend endmodule然后进行仿真，

10、仿真结果如图所示:（2）符号扩展（Sign_Extender）的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Sign_Extender，然后输入其实现代码：module Sign_Extender(input 15:0 d,output 31:0 o ); assign o = (d15:15 = 1b0) ? 16b0, d15:0 : 16b1, d15:0;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Sign_Extender进行综合（Synthesize），综合结果

11、如图所示。在ISE集成开发环境中，对模块MUX32_2_1进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module Sign_Extender_t;/ Inputsreg 15:0 d;/ Outputswire 31:0 o;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)Sign_Extender uut (.d(d), .o(o);initial begin/ Initialize Inputs d = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; / Add stimulus hered = 1

12、6h0011;#100;d = 16h1011;end endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（3）32位寄存器堆（RegFile）的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：RegFile，然后输入其实现代码：module RegFile(input 4:0 Rn1, Rn2, Wn,input Write,input 31:0 Wd,output 31:0 A, B,input Clock ); reg 31:0 Register1:31;assign A =

13、 (Rn1 = 0) ? 0 : RegisterRn1;assign B = (Rn2 = 0) ? 0 : RegisterRn2;always (posedge Clock) beginif (Write & Wn != 0)RegisterWn = Wd;endendmodule在ISE集成开发环境中，对模块RegFile进行综合（Synthesize），综合结果如图所示。在ISE集成开发环境中，对模块RegFile进行仿真（Simulation）。输入如下测式代码：module Regfile_t;/ Inputsreg 4:0 Rn1;reg 4:0 Rn2;reg 4:0 Wn;

14、reg Write;reg 31:0 Wd;reg Clock;/ Outputswire 31:0 A;wire 31:0 B;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)RegFile uut (.Rn1(Rn1), .Rn2(Rn2), .Wn(Wn), .Write(Write), .Wd(Wd), .A(A), .B(B), .Clock(Clock);initial begin/ Initialize InputsRn1 = 0;Rn2 = 0;Wn = 0;Write = 0;Wd = 0;Clock = 0;/ Wait 100 ns for

15、global reset to finish#100; Rn1 = 5b00001;Rn2 = 5b00001;Wn = 5b00001;Write = 1;Wd = 0;Clock = 0;#100;Clock = 1;#50;Wd = 32hBBBBBBBB;#50;Clock = 0;#100;Clock = 1;#100Clock = 0;/ Add stimulus hereend endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（4）运算器（ALU）设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilo

16、g Module模块，名称为：ALU，然后输入其实现代码：module ALU(input 31:0 A, B,input 2:0 ALU_operation,output 31:0 Result,output Zero );assign Result = (ALU_operation = 3b000) ? A + B : (ALU_operation = 3b100) ? A - B : (ALU_operation = 3b001) ? A & B : (ALU_operation = 3b101) ? A | B : (ALU_operation = 3b010) ? A B : (AL

17、U_operation = 3b110) ? B15:0, 16h0 : 32hxxxxxxxx; assign Zero = |Result;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块ALU进行综合（Synthesize），综合结果如图所示:在ISE集成开发环境中，对模块ALU进行仿真（Simulation）。输入如下测式代码： module ALU_tb;/ Inputsreg 31:0 A;reg 31:0 B;reg 2:0 ALU_operation;/ Outputswire 31:0 Result;wire Zero;/ Instantiate the Unit Under

18、 Test (UUT)ALU uut (.A(A), .B(B), .ALU_operation(ALU_operation), .Result(Result), .Zero(Zero);initial begin/ Initialize InputsA = 0;B = 0;ALU_operation = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; A = 1;B = 1;ALU_operation = 0;/ Add stimulus here#100A = 2;B = 2;ALU_operation = 4;#100A = 1;B = 1

19、;ALU_operation = 1;#100A = 1;B = 1;ALU_operation = 5;#100A = 1;B = 1;ALU_operation = 2;end endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（5）控制器（Controller）的设计与实现为了简化设计，控制器由控制单元Control和控制单元ALUop组成，控制器结构如下所示。a Control的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Control，然后输入其实现代码：module

20、 Control(input 5:0 op,output RegDst,output RegWrite,output ALUSrc,output MemWrite,output MemRead,output MemtoReg,output Branch,output 1:0 ALUctr ); wire i_Rt=|op;wire i_Lw=op5 & op3;wire i_Sw=op5 & op3;wire i_Beq =op2 & op1;wire i_Lui=op3 & op2;assign RegDst = i_Rt;assign RegWrite=i_Rt|i_Lw|i_Lui;as

21、sign ALUSrc =i_Lw|i_Sw |i_Lui;assign MemWrite =i_Sw;assign MemRead=i_Lw;assign MemtoReg= i_Lw;assign Branch=i_Beq;assign ALUctr1= i_Rt|i_Lui;assign ALUctr0=i_Beq|i_Lui;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Control进行综合（Synthesize），综合结果如图：在ISE集成开发环境中，对模块Control进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module Control_tb;/ Inputsr

22、eg 5:0 op;/ Outputswire RegDst;wire RegWrite;wire ALUSrc;wire MemWrite;wire MemRead;wire MemtoReg;wire Branch;wire 1:0 ALUctr;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)Control uut (.op(op), .RegDst(RegDst), .RegWrite(RegWrite), .ALUSrc(ALUSrc), .MemWrite(MemWrite), .MemRead(MemRead), .MemtoReg(MemtoReg

23、), .Branch(Branch), .ALUctr(ALUctr);initial begin/ Initialize Inputsop = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; op = 6b;#100; op = 6b;#100; op = 6b;#100; op = 6b;#100; op = 6b;end endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示：b ALUop的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名

24、称为：ALUop，然后输入其实现代码：module ALUop(input 5:0 func,input 1:0 ALUctr,output 2:0 ALU_op );wire i_Rt = ALUctr1 & ALUctr0;assign ALU_op2=(i_Rt&(func2&func1)|(func2 &func0) | ALUctr0;assign ALU_op1=(i_Rt &func2 &func1)| (ALUctr1& ALUctr0);assign ALU_op0=(i_Rt &func2 &func1);endmodule在ISE集成开发环境中，对模块ALUop进行综合（

25、Synthesize），综合结果如图：在ISE集成开发环境中，对模块ALUop进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module ALU_tb;/ Inputsreg 31:0 A;reg 31:0 B;reg 2:0 ALU_operation;/ Outputswire 31:0 Result;wire Zero;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)ALU uut (.A(A), .B(B), .ALU_operation(ALU_operation), .Result(Result), .Zero(Zero);initial b

26、egin/ Initialize InputsA = 0;B = 0;ALU_operation = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; A = 1;B = 1;ALU_operation = 0;/ Add stimulus here#100A = 2;B = 2;ALU_operation = 4;#100A = 1;B = 1;ALU_operation = 1;#100A = 1;B = 1;ALU_operation = 5;#100A = 1;B = 1;ALU_operation = 2;end endmodule然后进

27、行仿真，仿真结果如图所：c 将Control与ALUop封装成Controller在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Controller，然后输入其实现代码：module Controller(input 5:0 op,input 5:0 func,output RegDst,output RegWrite,output ALUSrc,output MemWrite,output MemRead,output MemtoReg,output Branch,output 2:0

28、ALU_op );wire 1:0 ALUctr;Control U0 (op, RegDst, RegWrite, ALUSrc, MemWrite, MemRead, MemtoReg, Branch, ALUctr);ALUop U1 (func, ALUctr, ALU_op);endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Controller进行综合（Synthesize），综合结果如图：在ISE集成开发环境中，对模块Controller进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module Controller_tb;/ Inputsreg 5:0 op;reg 5

29、:0 func;/ Outputswire RegDst;wire RegWrite;wire ALUSrc;wire MemWrite;wire MemRead;wire MemtoReg;wire Branch;wire 2:0 ALU_op;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)Controller uut (.op(op), .func(func), .RegDst(RegDst), .RegWrite(RegWrite), .ALUSrc(ALUSrc), .MemWrite(MemWrite), .MemRead(MemRead), .Mem

30、toReg(MemtoReg), .Branch(Branch), .ALU_op(ALU_op);initial begin/ Initialize Inputsop = 0;func = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100;op =6b;#100op=6b;#100 op=6b;#100op=6b;endendmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（6）取指电路的设计与实现取指电路需完成ADD32、PC寄存器、多路选择器和左移两位模块，从而实现该取指电路。aADD32的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击

31、鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：ADD32，然后输入其实现代码：module ADD32(input 31:0 A, B,output 31:0 C );assign C = A + B;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Controller进行综合（Synthesize），综合结果如图：b左移两位模块（Left_2_Shifter）的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Left_2_

32、Shifter，然后输入其实现代码：module Left_2_Shifter(input 31:0 d,output 31:0 o );assign o = d29:0, 2b00;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Controller进行综合（Synthesize），综合结果如图：c综合取指电路（Fetch）的设计与实现在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Fetch，然后输入其实现代码：module Fetch(input Reset,input Clock,i

33、nput 31:0 B_addr,input Z, B,output 31:0 addr ); reg 31:0 PC;wire 31:0 U0_o;wire 31:0 U1_C;wire 31:0 U2_C;wire 31:0 Next_PC;wire sel = Z & B;Left_2_Shifter U0 (B_addr, U0_o);ADD32 U1 (PC, 4, U1_C);ADD32 U2 (U1_C, U0_o, U2_C);MUX32_2_1 M1 (U1_C, U2_C, sel, Next_PC);assign addr = PC;always (posedge Clo

34、ck or negedge Reset) beginif (Reset = 0)PC = 0;elsePC = Next_PC;endendmodule在ISE集成开发环境中，对模块Fetch进行综合（Synthesize），综合结果如图：在ISE集成开发环境中，对模块Fetch进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module FETCH_T;/ Inputsreg clock;reg reset;reg 31:0 b_addr;reg B;reg Z;/ Outputswire 31:0 inst;wire 31:0 o_addr;wire 31:0 o_sum;wire

35、 31:0 o_sum1;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)FETCH uut (.clock(clock), .reset(reset), .b_addr(b_addr), .B(B), .Z(Z), .inst(inst), .o_addr(o_addr), .o_sum(o_sum), .o_sum1(o_sum1);initial begin/ Initialize Inputsclock = 0;reset = 0;b_addr = 0;B = 0;Z = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish

36、#100;clock=1;#100;clock=0;#100;clock=1;#100;clock=0;#100;clock=1;#100;clock=0;#100;clock=1;#100;Z=1;B=1;b_addr=32h4;clock=0;#100;clock=1;#100;clock=0;B=0;Z=0;#100;clock=1;#100;clock=0;#100;clock=1;b_addr=32b0;#100;clock=0;#100;reset=1;clock=1;#100;clock=0;#100;clock=1;#100;clock=0; / Add stimulus he

37、re / Add stimulus hereendendmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（7）数据通路Data_Flow的设计与实现除去指令存储器Instruction ROM、数据存储器DATA MEM，将剩余的电路封装成一个单周期的CPU数据通路（Data_Flow）模块。在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Data_Flow，然后输入其实现代码：module Data_Flow(input Reset,input Clock,input 31:0 Inst,in

38、put 31:0 Data,output MemWrite,output MemRead,output 31:0 Result,output 31:0 B_data,output 31:0 NextPC );wire 31:0 B_addr;wire Z, B;wire RegDst;wire RegWrite;wire ALUSrc;wire MemtoReg;wire 2:0 ALU_op;wire 31:0 ALU_A, ALU_B;wire 4:0 Wn;wire 31:0 Wd;Fetch U0 (Reset, Clock, B_addr, Z, B, NextPC);Control

39、ler U1 (Inst31:26, Inst5:0, RegDst, RegWrite, ALUSrc, MemWrite, MemRead, MemtoReg, B, ALU_op);ALU U2 (ALU_A, ALU_B, ALU_op, Result, Z);RegFile U3 (Inst25:21, Inst20:16, Wn, RegWrite, Wd, ALU_A, B_data, Clock);MUX5_2_1 U4 (Inst20:16, Inst15:11, RegDst, Wn);MUX32_2_1 U5 (B_data, B_addr, ALUSrc, ALU_B)

40、;Sign_Extender U6 (Inst15:0, B_addr);MUX32_2_1 U7 (NextPC, Data, MemtoReg, Wd);endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Controller进行综合（Synthesize），综合结果如图：在ISE集成开发环境中，对模块Data_Flow进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module Data_Flow_tb;/ Inputsreg Reset;reg Clock;reg 31:0 Inst;reg 31:0 Data;/ Outputswire MemWrite;wire MemRead

41、;wire 31:0 Result;wire 31:0 B_data;wire 31:0 NextPC;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)Data_Flow uut (.Reset(Reset), .Clock(Clock), .Inst(Inst), .Data(Data), .MemWrite(MemWrite), .MemRead(MemRead), .Result(Result), .B_data(B_data), .NextPC(NextPC);initial begin/ Initialize InputsReset = 0;Clock

42、= 0;Inst = 0;Data = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100;Reset = 1;/#100;Inst = 32h;/R型，add,0号0号寄存器内容相加保存到5号寄存器，执行后MW,MR应为零,B_data应为零Data = 32h;#100;Clock = 1;#100;Clock = 0;#100;Inst = 32h8CB10000;/I,lw,5号与立即数符号扩展相加作为地址，将内存单元内容data送到9号寄存器，执行: /MR应为1，MW应为0，B_data应为data的值32h#100;Clock = 1;#

43、100; Clock = 0;#100Inst = 32hACA00000;/I,sw,5号与立即数符号扩展相加作为地址，将0号寄存器的内容送到内存单元，执行: /MR应为0，MW应为1，B_data应为0号寄存器内容0#100; Clock = 1;#100;Reset = 0; / Add stimulus hereend endmodule然后进行仿真，仿真结果如图所示:（8）Instruction ROM的设计与实现假定一个只有32个32位单元的指令存储器，由于只读无需写入，所以可以设置为简化的32个wire型变量，每个变量可被赋值为一条指令。在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位

44、置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：Inst_ROM，然后输入其实现代码：module Inst_ROM(input 31:0 address,output 31:0 inst ); wire 31:0 ram 0:31;assign ram 0 = 32b_00001_00010_00011_;/andassign ram 1 = 32b_00001_00010_00011_;/andassign ram 2 = 32b_00101_10001_00000;/lwassign ram 3 = 32b_00101_100

45、10_00100;/lwassign ram 4 = 32b_10001_10010_10001_;/andassign ram 5 = 32b_00101_10010_01000;/lwassign ram 6 = 32b_10001_10001_00001;/bepassign ram 7 = 32b_00101_00000_01100;/swassign ram 8 = 32b_00000_00000_00000;/andassign inst = ramaddress6:2;endmodule在ISE集成开发环境中，对模块Inst_ROM进行综合（Synthesize），综合结果如图:

46、在ISE集成开发环境中，对模块Inst_ROM进行仿真（Simulation）。首先输入如下测式代码：module Inst_ROM_tb;/ Inputsreg 31:0 address;/ Outputswire 31:0 inst;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)Inst_ROM uut (.address(address), .inst(inst);initial begin/ Initialize Inputsaddress = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish#100; address

47、 = 0;#100; address = 4;#100; address = 8;#100; address = 12;#100; address = 16;#100; address = 20;#100; address = 24;#100; address = 28;/ Add stimulus hereend endmodule然后进行仿真，仿真结果如图:（9）Data Mem模块的设计与实现对于实验而言，32个32位单元的数据存储器已满足需求（实际情况应该是以字节编址）。由于需要保存并写入数据，所以应设置32个reg型变量，要求初始化0、1、2号单元的内容为2、3、5。在ISE集成开发环境中，在工程管理区任意位置单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择New Source命令，创建一个Verilog Module模块，名称为：data_mem，然后输入其实现代码：module data_mem(Addr, Read, Write, DataIn, Clock, D