实验五处理器数据通路实验.

1、实验五 数据通路的设计和验证一、 实验目的1、 通过数据通路的的设计和验证,掌握CPU数据通路的基本原理和控制信号的顺序。2、 了解QUARTUS II硬件描述语言和原理图混合输入设计的过程。3、 掌握Simplest CPU的数据通路的控制方法，为控制器实验奠定基础。二、 实验原理如图1所示是本次实验所设计的Simplest CPU的数据通路和存储器部分的原理框图，该处理器支持的指令集如表1所示，只有4条指令。该CPU的寄存器如表2所示，数据通路的控制信号如表2所示。表1 SimplestCPU的指令集名称实现的操作功能LD addrAC MEMAR取存储器地址addr的数据到累加器ACST

2、 addrMEMAR AC存累加器AC数据到地址addr的存储器ADD addrAC (AC)+MEMAR累加器AC加上存储器地址addr数据JZ addr若AC为0则PC addr，否则，顺序执行下条指令累加器为0则从地址addr取指令执行该处理器的存储器为64单元，编址063，通过地址总线Addr5.0进行选择；每个单元数据宽度8位，分别通过Dout7.0和Din7.0进行数据的读写，存储器的读、写控制信号分别为MRD和MWR。表2 寄存器介绍寄存器中文名称宽度功能PC程序计数器6位存放CPU要执行的下一条指令的存储器地址AR地址寄存器6位存放存储器的地址，为访问存储器提供地址信息DR数据

3、寄存器8位加法指令中提供第二个数据。IR指令寄存器2位存放取回的指令的2位操作码AC累加器8位CPU的主要寄存器，存放源数据和结果图1 实验使用的数据通路和存储器原理框图表3 数据通路控制信号信号中文名称宽度功能mrd存储器读信号1位mrd=1：存储器在Dout7.0输出数据mwr存储器写信号1位mwr=1：将Din7.0的数据写入存储器PCloadPC写信号1位PCload=1：内部总线数据写入PCPCincPC+1信号1位PCinc=1：PC寄存器的值自增1，即：PC<-(PC)+1PCbusPC读信号1位PCbus=1：PC值输出到内部总线，即：内部总线<-(PC)ARloa

4、dAR写信号1位ARload=1：内部总线数据写入ARARbusAR读信号1位ARbus=1：AR值输出到内部总线，即：内部总线<-(AR)DRloadDR写信号1位DRload=1：内部总线数据写入DRDRbusDR读信号1位DRbus=1：DR值输出到内部总线，即：内部总线<-(DR)IRloadIR写信号1位IRload=1：内部总线数据写入IRACloadAC写信号1位ARload=1：内部总线数据写入ACACbusAC读信号1位ACbus=1：AC值输出到内部总线，即：内部总线<-(AC)ALUselALU功能选择1位ALUsel=0：内部总线数据 -> AC

5、ALUsel=1：(AC)+内部总线数据 -> AC三、 实验内容本实验由多个设计文件构成，并且顶层设计采用原理图输入方式，如图2所示是本次实验的顶层设计原理图。图中的各个模块采用verilog硬件描述语言设计，对应的模块分别是时钟分频器ClockInput、数据通路datapath、存储器mem、显示输出display和与PC机的输入输出调试接口PC_InOut，对应的设计文件分别是ClockInput.v、datapath.v、mem.v、display.v和PC_InOut.v，如表4所示。表4 本实验所用的设计文件模块文件功能顶层模块EXP5.bdf原理图设计的顶层模块时钟分频器

6、ClockInput.v将外部输入的1MHz的时钟信号分频为需要的1Hz时钟信号数据通路datapath.vCPU的数据通路存储器mem.v64字节的存储器的设计显示器display.v显示数据通路输出的数据PC调试输入输出PC_InOut.vPC端发出的控制信号和送到PC的数据通路输出的数据图2 本次实验的顶层设计原理图四、 实验步骤（请参考实验演示文档）1、 打开QUARTUSII软件，新建一个工程。2、 建完工程之后，新建一个原理图文件，并保存为EXP5.bdf。3、 再新建一个Verilog File，打开编辑器。4、 按照实验原理和自己的想法，在编辑窗口编写Verilog代码，请参考

7、实验所提供的实验代码文件。5、 编写完Verilog代码后，保存起来。6、 对自己编写的Verilog代码生成符号文件“Create Symbol File from current file”，对程序的错误进行修改。7、 依次重复过程2、3、4、5依次完成表4所示的5个verilog文件的编写和符号文件生成。8、 切换到原理图文件，按图2所示的原理图选择模块并进行连接，并保存设计。9、 编译设计无误后，数码管与FPGA的管脚连接参照表5进行引脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。表5 端口管脚分配表端口名使用模块信号对应FPGA管脚说 明clk数字信号源J4时钟为1MHzI

8、R1LED指示灯D1A9指令的操作码字段IR0LED指示灯D2B9zeroLED指示灯D3A10结果0的标志位data_out7LED指示灯D5A11从存储器读取出的数据以二进制形式显示在这8个指示灯上data_out6LED指示灯D6B11data_out5LED指示灯D7F7data_out4LED指示灯D8F6data_out3LED指示灯D9E10data_out2LED指示灯D10E8data_out1LED指示灯D11F12data_out0LED指示灯D12E11seg0数码管A段H3以十六进制分别显示PC、AR、DR和AC的值seg1数码管B段H4seg2数码管C段K5seg3

9、数码管D段L5seg4数码管E段K4seg5数码管F段L3seg6数码管G段L4seg7数码管dp段M3sel0位选DEL0G4sel1位选DEL1G3sel2位选DEL2F410、 用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。11、 在PC机打开“SimplestCPU数据通路控制面板”软件，并连接实验箱。图3 实验使用的控制面板软件12、 在连接成功之后，通过操作控制面板上对应的控制信号，观察实验结果是否与自己的数据通路的控制思想一致。五、 实验现象与结果该CPU的取指令和执行指令的过程如图4所示，以控制器从存储器取指令(fetch)为例，取指令过程依次包含3个操作步骤，分

10、别用fetch1、fetch2和fetch3来表示，如表6所示。在PC端的SimplestCPU数据通路控制面板软件界面上，在发出步骤fetch1所示的控制信号后，可以在实验箱和软件界面上观察到指示灯和AR寄存器的值是3DH。这是存放在程序存储器地址0的指令LD 3DH所对应的指令的机器指令编码。表6 取指令的操作顺序和控制信号(说明：表格中绿底色的表示寄存器的写控制，相继的灰底色的表示该过程由软件自动完成，不需要手动操作，PC端的软件该信号对应的按钮按下后延迟弹起，发出对应的控制信号)名称实现的操作和功能操作顺序控制信号fetch1AR PC1PC_bus =12AR_load =13AR_

11、load =04PC_bus =0fetch2IR MEMAR7:6DR MEMAR5mrd =16IR_load =17IR_load =08DR_load =19DR_load =010mrd =0Fetch3PC PC+1AR DR5:011PC_inc =112PC_inc =013DR_bus =114AR_load =115AR_load =016DR_bus =0六、 实验报告1、 该处理器的指令集有4条指令的控制流程如图4所示。请参考表6，写出LD指令、ST指令和JZ指令的操作过程和控制信号的赋值，填入表7表10中。并依据表7表10通过PC端的实验软件进行验证；图4 Simpl

12、estCPU的指令流程图复位AR<-(PC)DR<-MEM(AR)IR<-MEM(AR)7:6PC<-(PC)+1AR<-DR5:0AC<-MEM(AR)MEM(AR)<- AC DR<-MEM(AR)AC<-(AC)+(DR)PC<-(AR)IR=00LD指令IR=01ST指令IR=10ADD指令IR=00JZ指令zero=10zero=00取指令执行指令Fetch1Fetch2Fetch3LD1ST1ADD1ADD2JZ1Reset表7 LD指令控制流程指令指令分解实现的操作和功能顺序控制信号LD addrLD1AC MEMAR1

13、mrd = 12ACload = 13ACload = 04mrd = 0表8 ST指令控制流程指令指令分解实现的操作和功能顺序控制信号ST addrST1MEMAR AC1ACbus = 12mwr = 13mwr = 04ACbus = 0表9 ADD指令控制流程指令指令分解实现的操作和功能顺序控制信号ADD addrADD1DR MEMAR1mrd = 12DRload = 13Drload = 04mrd = 0ADD2AC (AC)+(DR)5DRbus = 16ALUsel = 17ACload = 18Acload = 09ALUsel = 010DRbus = 0表10 JZ指

14、令控制流程指令指令分解实现的操作和功能if(zero=1)顺序控制信号JZ addrJZ1 if(AC=0) PC AR1ARbus=12PCload=13PCload=04ARbus=02、 请依次通过操作控制信号读出存储器地址09这个10个单元的内容。3、 实验原理、设计过程、编译和分析结果、硬件测试结果记录下来。说明：本次实验存储器中存放了等差数列1+2+3+22的数据求和的程序，为方便实验，将该程序列在下面。/计算1+2+.+22=？,存储器的3c,3d,3e单元分别存放-1,22和结果result,3f单元存放结束标志0 RAM8'h00 <= 8'h3d; /

15、LD 3d 循环次数到-> AC RAM8'h01 <= 8'hc9 ; /JZ 09 为0则结束 RAM8'h02 <= 8'hbe; /ADD 3e result+ ? -> AC RAM8'h03 <= 8'h7e; /ST 3e AC -> ram3e RAM8'h04 <= 8'h3d; /LD 3d 循环次数->AC RAM8'h05 <= 8'hbc; /ADD 3c 循环次数-1->AC RAM8'h06 <= 8'h7d; /ST 3d AC -> ram3d保存循环次数 RAM8'h07 <= 8'h3f; /LD 3f 0 -> AC RAM8'h08 <= 8'hc0; /JZ 00 loop RAM8'h09 <= 8'h3f; /LD 3f 3f -> AC,ie,0->AC RAM