系统硬件综合设计

1、计算机与信息学院系统硬件综合设计课程设计报告学生姓名：李学 号：1234567890专业班级：计算机2017年 07月01日I. pcf部分always (posedge Clk)begi nPCPIus4F_Reg = PCPIus4F;if (Bra nchM &ZeroM) PCF = PCBra nchM;else PCF = PCPlus4F;In structi on F_Reg = In structio nF;if (In structio nF31:26 = 6b000010)begi nPCF = 6h0,l nstructio nF25:0;PCF = PCF 2;end

2、Endassig n PCPlus4F = PCF + 4;assign ImemRdAddrF = PCF;每个时钟上升沿到来，根据上一个时钟的PCSrc M判断是否为分支指令，若是，则选择PCBra nchM作为这个时钟的指令地址，否则选PCF+4作为这个指令的指令地址，另外对于J类指令，我设计了一个特定的 OpCode=“000010，即为跳转指令，因为每个指令 以字节格式存储，占用,4个字节，故将后26位立即数进行位扩展后将其左移两位，效 果等同于乘4,再将其赋值给 PCF，这样下一跳的指令地址即为所要跳转的地址。对于 这个部分，我起先是准备将其设计成一个模块的，之后由于模块接口连接时

3、出现了无法解决的错误：输出 PCF要作为Instruction Memory的输入，又要作为自身模块下一跳的输入，导致三者关联一起变化，程序报错，后来我又想到将PCF的输出改成两个，PCFout 及PCFnext, PCFout作为Instruction Memory的输入，PCFnext作为自身模块下一跳的 输入，但是程序仍无法正常运行，最后我想到了在top模块中对PCF进行处理并得以实 现。2. Instruction Memory 模块in itialbegi n$readmemh(instruction, InstMem, 8hO);endalways (ImemRdAddr)begi

4、 nInstruction 2;end这个模块很简单，主要是通过in structi n文档来存储指令，以 PCF作为地址取出指令输出至 Control，SignExtend， Register 三个模块。3. Ctr模块always (OpCode)begi ncase(OpCode)/ R-I/ addiu6b001001:begi nRegDstD = 1;ALUSrcD = 1; MemtoRegD = 0;RegWriteD = 1; MemWriteD = 0;Bran chD = 0; ALUOp = 2b10;end/addiendcaseendalways (ALUOp or

5、 Fu net)begi ncasex(OpCode ,ALUOp, Funct)14b10001100xxxxxx: ALUControlD = 5b00010; / LW : add14b00010001xxxxxx: ALUControlD = 5b00110; / SW : substract beqendcaseenden dmoduleControl模块主要对来自Instruction Memory模块的指令进行分解，得到 OpCode指令 高六位），Funet （指令低六位），在通过分析 OpCode得到RegDstD, ALUSrcD , MemtoRegD RegWriteD

6、，BranchD，ALUOp这六个信号量，用于后面的运算， 再使用OpCodeALUOp, Funct三者的组合对指令的运算方法进行分析，得到相应的ALUControlD输出至ALU模块。4. R egister 模块in itialbegi n$readmemh(register, regFile, 32hO);end/ write on falli ng clock edgealways (posedge Clk)begi nif(RegWrite = 1b1) regFileRegWrAddr = 0)? regFileRegARdAddr:O;assig n RegBRdData =

7、(RegBRdAddr = 0)? regFileRegBRdAddr:O;通过信号量RegWrite来判断读写操作，RegWrite=1即为写操作，0为读操作，读写皆 操作于建立的register 文档中，另在top模块中有assign RegARdAddr = In structio nD25:21;assign RegBRdAddr = In structio nD20:16;对寄存器地址赋值，register 读出的两个数可供 ALU选择使用。跳转5. ALU模块assign Zero = (ALURes = 0)? 1:0;/ALURes 0 always (SrcA or SrcB

8、 or ALUCtr)begi nOverFlow = 0;TmpForSrcB = 0;HI = 0;LO = 0;A = 0;B = 0;case(ALUCtr)5b10011:begi nTmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2;ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) |(SrcA31= TmpForSrcB31 &ALURes31 = SrcA31)begi nOverFlow = 1bO;endelseif (SrcA31 = TmpForSrcB31

9、& ALURes31 != SrcA31)begi nOverFlow = 1b1;enddefault: ALURes = 32hO;endcaseendALU模块进行的是运算操作，本模块通过来自Control模块的ALUCtr判断所要执行的运 算，在通过Register模块读出的值或者从Instruction中得到的立即数进行运算，结果ALUResB据信号量 MemToRe来判断是否写入 DataMemory,这一块写在top中，另外 ALU还对Zero信号量进行了赋值，Zero信号量用于对分支指令的判断。6. Data Memory 模块in itialbegi n$readmemh(D

10、ata, DataMem, 1OhO);endalways (posedge Clk)begi nif(DmemWrite = 1b1)DataMemDmemAddr2 2:0;en dmodule本模块通过从Ctr模块得来的信号量 DmemWrite选择进行读写操作，读写皆操作于所建 立的Data文档，另外DmemAdd左移两位跟上述 PCF左移两位异曲同工。7. top模块这个模块相比前面的6个模块要复杂得多，也是我在实验时出现问题最多，所花时间最PCF长的模块。Top模块主要用于各个模块之间的数据连接，以及一些模块外的操作。的设计我是放在这个模块的，另外像二选一数据选择器我也是放在这里的

11、，本来是写了一个小模块来做这个工作，但是本次试验用到太多次二选一数据选择器了，为了防止数据传输紊乱，我决定在top中解决这个小操作。由于本模块代码太长，这里就不一一阐 述，仅以Ctr的例化和接口连接为例简要说明：Ctr Ctr(.OpCode(OpCode),.Fun ct(F un ct),.RegWriteD(RegWriteForCtrD),.MemtoRegD(MemtoRegD),.MemWriteD(MemWriteD),.Bra nchD(Bra nchD),.ALUCo ntrolD(ALUCo ntrolD),.ALUSrcD(ALUSrcD),.RegDstD(RegDst

12、D);assign OpCode = InstructionD31 : 26;assig n Funct = In struct ion D5 : 0;assign RegWrDataD = (MemtoRegW)? ReadDataW : ALUOutW;always (posedge Clk)begi nMemtoRegD_Reg = MemtoRegD;MemWriteD_Reg = MemWriteD;Bra nchD_Reg = Bran chD;ALUC on trolD_Reg = ALUC on trolD;ALUSrcD_Reg = ALUSrcD;RegDstD_Reg =

13、 RegDstD;end输入来源 OpCode来自于取指阶段Instruction 的高6位，Funet来自于取指阶段Instruction的低 6 位，RegWriteD 通过信号量 MemToRegW选择 ReadDataW 或ALUOutW输出信号量 MemtoRegD MemWriteD, BranchD，ALUControlD，ALUSrcD RegDstD作为 Reg模块的输入。二、指令设计本次试验实现了 3种34条指令，实验时原以为指令格式为固定的，查阅很多资料都没 得到想要的OpCode与指令操作对应的关系，问了指导实验的学长才知道，OpCode是自己设计的，后又参考自己动手写

14、cpu的指令设计技巧，才总结设计出指令。3种指令：;)即邛2(20M 戸n tV(1 斗onrtBfunc引 2521 ULb L50cpriTimmeduk5(-Z1汗0W丨addressJ26R类型：具体操作由 OpCode, Funet来控制，rs, rt为源寄存器，rd为目的寄存器，sa为移 位位数。I类型：具体操作由Opcode控制，低16位是立即数，经过位扩展作为另一个源操作数参与 用算。J类型：具体操作由 OpCode控制，一般是跳转指令，低26位经过位扩展作为目标地址。34条指令：32101011 00001 00100 000000000000010ALURes = SrcA

15、 - SrcB;Store指令，判断00001号寄存器的值是否等于00100号寄存器的值，若相等，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32000000 00001 00010 00011 00000 100000TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcB31 = (TmpForSrcB31+1)%2; ALURes = SrcA + TmpForSrcB;if (SrcA31 != TmpForSrcB31) |(SrcA31= TmpForSrcB31 &ALURes31 = SrcA31)begi nOverFlow = 1b0;endel

16、seif (SrcA31 = TmpForSrcB31 & ALURes31 != SrcA31)begi nOverFlow = 1b1;endAdd指令，有符号加法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号加法， 结果放到00003号寄存器中；32000101 00001 00010 0000000000000010ALURes = (SrcA - SrcB);Bne指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行比较，若不相等，则当前指令地址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32b000100 00001 00010 0000000

17、000000010ALURes = SrcA - SrcB;Beq指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行比较，若相等，则当前指令地 址加00000000000000010，否则执行下一条指令；32000001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA = 0)?0:1;Bgez指令，实现 00001号寄存器的值与00000000000000010，否则执行下一条指令；32000111 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA 0)?0:1;Bgtz指令，实现 00001号寄存器的值与00

18、000000000000010，否则执行下一条指令；32000110 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA = 0)?0:1;Blez指令，实现 00001号寄存器的值与00000000000000010，否则执行下一条指令；32010001 00001 00000 0000000000000010ALURes = (SrcA 0)?0:1;Bltz指令，实现 00001号寄存器的值与00000000000000010，否则执行下一条指令；32100011 00001 00010 00011 00000 100001 ALURes = SrcA

19、+ SrcB;0比较，若大于等于0,则当前指令地址加0,则当前指令地址加0比较，右大于0比较，若小于等于0,则当前指令地址加0比较，若小于0,则当前指令地址加Addu指令，无符号加法指令，实现将 00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号加 法，结果放到00003号寄存器中；32100011 00001 00010 00011 00000 100011 ALURes = SrcA - SrcB;subu指令，无符号减法指令，实现将 00001号寄存器和00002号寄存器的值进行无符号减 法，结果放到00003号寄存器中；32000000 00001 00010 00011 00000

20、 100100ALURes = SrcA & SrcB;And指令，与操作，实现将 00001号寄存器和00002号寄存器的值进行与操作，结果放到 00003号寄存器中； 32000000 00001 00010 00011 00000 100101ALURes = SrcA | SrcB;OR指令，或操作，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行或运算， 结果放到00003号寄存器中;32b000000 00001 00010 00011 00000 101010ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;sit指令，有符号比较操作，实现将 00001号寄存器和00002号

21、寄存器的值进行有符号比较, 若SrcA SrcB，则置1，否则置0;32000000 00001 00010 00011 00000 101010 ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;00002号寄存器的值进行无符号比较,situ指令，无符号比较操作，实现将00001号寄存器和 若SrcA SrcB，则置1，否则置0;32000000 00001 00010 00011 00000 011010ALURes = SrcA / SrcB;LO = SrcA / SrcB;HI = SrcA % SrcB;div指令，有符号除法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进

22、行有符号除法, 结果放到00003号寄存器中；32000000 00001 00010 00011 00000 011000A = SrcA31:31?32hffffffff, SrcA : 32h00000000, SrcA;B = SrcB31:31?32hffffffff, SrcB : 32h00000000, SrcB;Temp = A * B ;ALURes = Temp31:0;HI = Temp63:32; LO = Temp31:0;mui指令，有符号乘法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号乘法, 结果放到00003号寄存器中；32000000 0

23、0001 00010 00011 00000 000100ALURes = (SrcB SrcA);sriv指令，逻辑可变右移指令，实现将00001号寄存器的值右移 00002号寄存器的值位,结果放到00003号寄存器中；32000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcB SrcA);xor指令，异或指令，实现将 00001号寄存器的值和 00002号寄存器进行异或，结果放到00003号寄存器中；32b000000 00001 00010 00011 00000 100110ALURes = (SrcA A SrcB);xor指令，异或指

24、令，实现将 00001号寄存器的值和00002号寄存器进行异或，结果放到00003号寄存器中；32001001 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addiu指令，无符号立即数加法指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行无符号加法， 结果放到00003号寄存器中；32001100 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA + SrcB;addi指令，有符号立即数加法指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行有符号加法,结果放到00003号寄存器中；32001101 0000

25、1 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA | SrcB;ori指令，立即数或指令，实现将00001号寄存器的值和立即数进行或运算，结果放到00002号寄存器中；32001101 00001 00010 00011 00000 000000 ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;slti指令，有符号立即数比较操作，实现将 00001号寄存器的值和立即数进行有符号比较,若SrcA SrcB，则置1，否则置0； 32001110 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = (SrcA a SrcB);xori指令，立

26、即数异或指令，实现将 00001号寄存器的值和立即数进行异或运算，结果放 到00002号寄存器中；32001011 00001 00010 00011 00000 000000ALURes = SrcA SrcB ? 1:0;slti指令，无符号立即数比较操作，实现将 00001号寄存器的值和立即数进行无符号比较, 若SrcA SrcB，则置1，否则置0;32000000 00001 00010 00011 00001 000000ALURes = (SrcB SrcA);srl指令，逻辑右移指令，实现将00001号寄存器的值右移 sa位，结果存入00002号寄存器;32000000 0000

27、1 00010 00011 00001 000111j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;/*for(i = 0; i 1);srav指令，算术可变右移指令，实现将00001号寄存器的值算术右移 sa位，结果存入00002号寄存器；32000000 00001 00010 00011 00001 000011j = SrcB31:31;TmpForSrcB = SrcB;TmpForSrcA = SrcA;TmpForSrcB = TmpForSrcBSrcA;if (j)begi nALURes = (TmpForSrcB31:31), TmpForSrcB30:0;endelsebegi nALURes = TmpForSrcB;endsra指令，算术右移指令，实现将00002号寄存器的值算术右移00001号寄存器的值位，结果存入00003号寄存器；32000000 00001 00010 00011 00000 100010ALURes = SrcA - SrcB;sub指令，有符号减法指令，实现将00001号寄存器和00002号寄存器的值进行有符号减法，结果放到00003号寄存器中；32001000 00001 000