《单周期CPU设计》实验报告

1、计算机组成原理与接口技术实验学院名称：学生姓名：学号：专业（班级）：合作者：时间：2016年4月25日实验实验目的1. 掌握单周期CP嗷据通路图的构成、原理及其设计方法;2. 掌握单周期CPU勺实现方法，代码实现方法；3. 认识和掌握指令与CPUJ关系；4. 掌握测试单周期CPU勺方法。实验内容设计一个单周期CPU该CPU!少能实现以下指令功能操作。需设计的指令与格式如下：=算术运算指令(1)addrd,rs,rt(说明：以助记符表示，是汇编指令；以代码表示，是机器指令)000000rs（5位）rt（5位）rd（5位）reserved功能：rdrs+rt。reserved为预留部分，即未用，一

2、般填"0"。（2）addirt,rs,immediate000001rs（5位）rt（5位）immediate（16位）功能：rtrs+（sign-extend）immediate;immediate符号扩展再参加"加”运算。（3）subrd,rs,rt000010rs（5位）rt（5位）rd（5位）reserved完成功能：rdrs-rt=逻辑运算指令（4）orirt,rs,immediate010000rs（5位）rt（5位）immediate（16位）功能：rtrs|（zero-extend）immediate;immediate做"0"

3、扩展再参加"或"运算。（5）andrd,rs,rt010001rs（5位）rt（5位）rd（5位）reserved功能：rdrs&rt;逻辑与运算。（6）orrd,rs,rt010010rs（5位）rt（5位）rd（5位）reserved功能：rdrs|rt;逻辑或运算。=传送指令77)moverd,rs100000rs（5位）00000rd（5位）reserved功能：rdrs+$0;$0=$zero=0。=存储器读/写指令（8）swrt,immediate（rs）与存储命100110rs（5位）rt（5位）immediate（16位）功能：memoryrs+（s

4、ign-extend）immediatert;immediate符号扩展再相力口。（9）Iwrt,immediate（rs）读存储器100111rs（5位）rt（5位）immediate（16位）功能：rtmemoryrs+（sign-extend）immediate;immediate符号扩展再相加。=分支指令（10）beqrs,rt,immediate110000rs（5位）rt（5位）immediate(位移量，16位)功能：if(rs=rt)pc-pc+4+(sign-extend)immediate<<2;特别说明：immediate是从PC+4地址开始和转移到的指令之间

5、指令条数。immediate符号扩展之后左移2位再相加。为什么要左移2位？由于跳转到的指令地址肯定是4的倍数(每条指令占4个字节)，最低两位是“00”，因此将immediate放进指令码中的时候，是右移了2位的，也就是以上说的“指令之间指令条数”。=>停机指令(11)halt11111100000000000000000000000000（26位）功能：停机；不改变PC的值，PC保持不变。三.实验原理单周期CPU指的是一条指令的执行在一个时钟周期内完成，然后开始下一条指令的执行，即一条指令用一个时钟周期完成。电平从低到高变化的瞬间称为时钟上升沿，两个相邻时钟上升沿之间的时间间隔称为一个时

6、钟周期。时钟周期一般也称振荡周期(如果晶振的输出没有经过分频就直接作为CPU的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期。若振荡周期经二分频后形成时钟脉冲信号作为CPU的工作时钟，这样，时钟周期就是振荡周期的两倍。)CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个步骤：(1) 取指令(IF)：根据程序计数器PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时，PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令所需要的指令地址，但遇到“地址转移”指令时，则控制器把“转移地址”送入PC,当然得到的“地址”需要做些变换才送入PG(2) 指令译码(ID):对取指令操作中得到的指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作，从而产生相

7、应的操作控制信号，用于驱动执行状态中的各种操作。(3) 指令执行(EXE):根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作，然后转移到结果写回状态。(4) 存储器访问(MEM：所有需要访问存储器的操作都将在这个步骤中执行，该步骤给出存储器的数据地址，把数据写入到存储器中数据地址所指定的存储单元或者从存储器中得到数据地址单元中的数据。(5) 结果写回(WB：指令执行的结果或者访问存储器中得到的数据写回相应的目的寄存器中。单周期CPU是在一个时钟周期内完成这五个阶段的处理。图1单周期CPU指令处理过程MIPS32的指令的三种格式:R类型：312625212016151110650oprsrtr

8、dsafunc6位5位5位5位5位6位I色：312625212016150oprsrtimmediate6位5位5位16位J类型：3126250opaddress6位26位其中，op：为操作码；rs:为第1个源操作数寄存器，寄存器地址（编号）是0000011111,001F;rt:为第2个源操作数寄存器，或目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；rd:为目的操作数寄存器，寄存器地址（同上）；sa：为位移量（shiftamt）,移位指令用于指定移多少位；func:为功能码，在寄存器类型指令中（R类型）用来指定指令的功能；immediate：为16位立即数，用作无符号的逻辑操作数、有符号的算术操作数

9、、数据加载（Laod）/数据保存（Store）指令的数据地址字节偏移量和分支指令中相对程序计数器（PC）的有符号偏移量；address:为地址。PCDataMemKVM'>图2单周期CPU数据通路和控制线路图ChLisMfi.niRWlaEOtrl5力 ,V wtRead fteglRtadl EtatalWrrtpRegiittr Hl*Head naiw?WiilL? Dstsft*UAddrDIB NIF M口mCMretain图2是一个简单的基本上能够在单周期上完成所要求设计的指令功能的数据通路和必要的控制线路图。其中指令和数据各存储在不同存储器中，即有指令存储器和数据存

10、储器。访问存储器时，先给出地址，然后由读/写信号控制（1-写，0-读。当然，也可以由时钟信号控制，但必须在图上标出）。对于寄存器组，读操作时，先给出地址，输出端就直接输出相应数据；而在写操作时，在WE使能信号为1时，在时钟边沿触发写入。图中控制信号作用如表1所示，表2是ALU运算功能表。表1控制信号的作用控制信号名状态“0”状态“1”PCWrePC7、更改，相关指令：haltPC更改，相关指令：除指令halt外ALUSrcB来自寄存器堆data2输出，相关指令：add、sub、or、and、movebeq来自sign或zero扩展的立即数，相关指令：ori、sw、lwALUM2Reg来自ALU

11、运算结果的输出，相关指令：add、sub、ori、or、and、move来自数据存储器（DataMEM）的输出，相关指令：lwRegWre无写寄存器组寄存器，相关指令：sw、halt寄存器组写使能，相关指令：add、sub、ori、or、and、move、lwInsMemRW读指令存储器（Ins.Data）,初始化为0写指令存储器DataMemRW读数据存储器，相关指令：lw写数据存储器，相关指令：swExtSel相关指令：ori,(zero-extend)immediate(0扩展)相关指令：sw、lw、beq,(sign-extend)immediate(#扩展)PCSrcPOPC+4,相

12、关指令：add、sub、ori、or、and、move、sw、lw、beq(zero=0)P-PC+4+(sign-extend)immediate,同时zero=1,相关指令：beqRegOut写寄存器组寄存器的地址，来自rt字段，相关指令：ori、lw写寄存器组寄存器的地址，来自rd字段，相关指令：add、sub、and、or、moveALUOp2.0ALU8种运算功能选择（000-111）,看功能表相关部件及引脚说明:InstructionMemory:指令存储器，laddr,指令存储器地址输入端口IDataln,指令存储器数据输入端口（指令代码输入端口）IDataOut,指令存储器数据

13、输出端口（指令代码输出端口）RW,指令存储器读写控制信号，为1写，为。读DataMemory:数据存储器，Daddr,数据存储器地址输入端口Dataln,数据存储器数据输入端口DataOut,数据存储器数据输出端口RW,数据存储器读写控制信号，为1写，为。读RegisterFile:（寄存器组）ReadReg1,rs寄存器地址输入端口ReadReg2,rt寄存器地址输入端口WriteReg,将数据写入的寄存器端口，其地址来源rt或rd字段WriteData,写入寄存器的数据输入端口ReadData1,rs寄存器数据输出端口ReadData2,rt寄存器数据输出端口WE,写使能信号，为1时，在时

14、钟上升沿写入ALUresult,ALU运算结果zero,运算结果标志，结果为。输出1,否则输出0表2ALU运算功能表ALUOp2.0功能描述000A+B加001A-B减010B-A减011AVB或100AAB与101/AABA非与B110A?B异或111AOB同或需要说明的是根据要实现的指令功能要求画出以上数据通路图，和确定ALU的运算功能（当然，以上指令没有完全用到提供的ALU所有功能，但至少必须能实现以上指令功能操作）。从数据通路图上可以看出控制单元部分需要产生各种控制信号，当然，也有些信号必须要传送给控制单元。从指令功能要求和数据通路图的关系得出以上表1,这样，从表1可以看出各控制信号与

15、相应指令之间的相互关系，根据这种关系就可以得出控制信号与指令之间的关系表（留给学生完成），再根据关系表可以写出各控制信号的逻辑表达式，这样控制单元部分就可实现了。指令执行的结果总是在下个时钟到来前开始保存到寄存器、或存储器中，PC的改变也是在这个时候进行。另外，值得注意的问题，设计时，用模块化的思想方法设计，关于ALU设计、存储器设计、寄存器组设计等等，也是必须认真考虑的问题。可以参考其他资料文档，里面有相应的设计方法介绍.四.实验器材电脑一台、XilinxISE软件一套。五.实验分析与设计模块分析：根据单周期CP嗷据通路和控制线路图，大致可以将CPU为右图七个 模块，每个模块负责一个部分的功

16、能：（代码存于code文件夹）卬QaQ回QraQ cu - CU (CUM prcgramCourrter - PC (PCv) rom - ROM (ROMM ram - RAM (RAMM regfife * RF (RFv) signExtend - SE (SE.v) alu - ALU (ALU.v)outputunusedwire31:0pc;wireinstruction;wirePCttre.AtLUSrcB,AXUKZReQrReQlfxe,TnsHenRHpDfltaMesiRlfiExtSelfPCSrCg,ReaQpt;rsero;wire2;QALDQp;wl

17、7;31:0ALUjIk<AW.RESULT.ReadDaa2rlUunDat&Out.umedlaxe：.wxxe:0JwrxteReg;wire/Ersrrxrrd;wxxe15:0haftIediat-e;艮三与二-ECWre;its.i.natE-tietian125.：21Jfasajignrt.inatructiOD(20:16);adsiaftrd11:assignwrlteReg(Regout!?rd:rt;/触wr工工(AXUM2Reg?RanD:ALU_RESULT;a9oignAXU_B-AXUSrcB?inacediateiRcadtotafp（图的下方为

18、各个模块的变量，在后图会出现，故省略）CPU负责各模块之间的数据的传输，如同cm言中的头文件，将其他的子模块连接在一起,其中clk信号在此声明。moduleinput口口口#outptiT：IrsMertRWjaticputPCMre,二“户二Est:3vlr二二匚口七DaaiE*irRh,二二七匚：itAZ_UH2Reff,二二tpntA1UStFCSrC,output2tOJALUCpr口utputRvWmrealaddr1addi,inub,j.口工i.1an.ilti_ar(i_ir.ave,i_aw,i_lw,i_beq,i_halt;alwavS(opJtoeQini_4dd-C;

19、l_iddl-0;1 H业*Q；i_ori0;i_and=0;土*0;l_JHQVe工0；i_jw-0;2 Iw=0;tbetjnO;ihalt-0;:I-jpl*cOOOQOC:iaid=1;SkbGOO0Ol:iaddi=1;*baoooio：工日心=i；6kbai0000:i£ori-1;*b010001：i_and-1;6ai)01001D:二or-1;*biDOOOO:iirnve-1:*bl00110ilaw-1;Clw-1;fbllOOOO：ibeq-1;6,bllllll:i-halt-1;snleaseendaflaiQnPCWre"!;AAALdnALU

20、SfeBl_addi|l_orl|i_*w|i_luj4J3ignALUHZBegi_lw;assignRegWre-'(i_sw|i_beq);ammigInaHEEAH=0;«jAign仪i_sw;fta3ignExtSel"!i_on：assignFC3rLe*<i_beqizero);aaaianKecrOut!(laddlI1oriIA_lwrassignALDOp-<1and.ioex|iozt1auto|iori(1de|1beq);MlitfiditadLileCUCl责指令的解析，即将由RO瞰取的指令转化为操作发送给其他子模块进行操作。

21、e.j ±_Lt FC <input ulk.mpur PCWre,R二S二u.:J. it = " 士 ： , ；f 1行 l.Taurput reg(31:cjpcinatiil tegir: pc - 32'ncDcaoaoc： end(pojede =1X begin it (pcw» - 1 卜 pc <= (PCSrc = ) ? enderLdmidule/ th* clecfc/ close ar open/ use Imedlate Integer 口工：1一二 :匚-3 tr，/ oupuc address/ initial

22、/ change cne insrructio+ 1 : tpc + 1 * iEcdiatw1PC负责指令的计数，已经指令的向前或向后跳动，每个时钟周期计数加一。moduleROM(inputR1%/readnrnotreidiipLLt31:DJlEsAd±r43iF.trit二二二。士uit.3uepue31:01InsOuc/datawyiichneeistcout工n;re531：0xenieryC：12-?；,7mi-lai:入任initialbegin/onlycnaeS工亡S"G£US"«(jr*CXIIw3t，r,mge工yi

23、;enl，/it(RW"0)/re璃dInsOuz=iteniQry(InAldjreas;endnidduleROM即存储器，发送信息,CPU勺指令文件即由RO谶取，只读，在电脑中表现为BIOS勺数据文件。moduleRAMI.E*a-rj-.:1CisrfQ上-iu3xn_n/;节1131:0Datainrlopuv(1!0DaaAddr,口gWUC31;0D&nOutreg31:0iteixozy(0:127;intv*工x；inirialbeginfor(1=0;1<12E;1pi+l>LeEL=£y1-0;end自3mlmDataOut=rae

24、nioryDataAldrialwaya0<p=sedgeclklgqinif(Ri；-1)itiAdir-Cfitalnjend$s的储存地点。RAM内存，可读可写，用来保存临时数据，汇编语言中的卜心壮岂工七RF inpuit die, inp'At *E. inpt i 0 fleatlReal, inpiit 4 : 0ReidR.eg2 f :调工4rt噂艮*寸, inp-jt (31 ：o;wrax*oajE*routput 【3：; 0】Ra如3匕后二, cstpu二3L:0ReadTdUa2tb clockelege or op«n?ne adiress

25、cf he address cf tbe address c£cuzputl OU'LpU'L2 cLaza/ cH® 己盘七四 u?iich need to vrite/ / tfill LTTiTI1/ / u y 1 aH ouzpucZ工餐7 31:01:31;/ 31 * 32tit xegistexinteger a;initial beginfor (1 - 1; i < 32;regx5er1 - Q； end/ IeueiaI tb七 zeyisrer / oni/ onceaasign典emdM;白1=(BeatlReffl=0|7

26、0:reQlserReadBejl|;assignfteadl>ata.2=00:regiaXezReadftegS);alMiya(paitigeClt)工工.-/riceirffE-1)工eg工8二七工【R工endendrr.qcluleRF:寄存器，可读可写，数据由寄存器发送向ALU十算，汇编语言中的$t的储存地点。laBKdjL-Bt-r-4ExtScl.?!1>(Ihaft-loaHedlateC15rh:fB工!，.E1$；DK:ttl4iClllM,1'Fhftlamed141.e15-;D)pSE产生立即数，将发送过来的半数零拓展或符号拓展。iL0d-J.e

27、 ALJ(input 31:DJALU_A,inpuT 31iOJALU_B,一工WL 2:2 ALUcproutput ZEROoutput re5t31iOAll；_RE5ULT/ input 1/ input 2/ opuulzin/ sera auput7/ tne result of ALJassign ZERO * (JLLU_RE3ULT * 0) ? 1 htl ： 1 'tiO;/ if the resale egual cc zero, £ERC - 1*Xw*yv6A 口工qi ALUcp 口之口4=ise (ALUopF chesae 二太之ojic:

28、土匚上口匚3fd 口口:3'bQOl：3*&100：3hlQ:31111:ftr ricdsssJLLU KE3日二T - ALU A. + 虹口 丹；ALtJ_ftESULT = ALU_A - AtU_B； AID二FE5ULT * ALUJ6 - ALR; ALU-RE5ULT - LC-B ALu-a；JU_D_RE5ULT " ALU_B & AL3_A；ALURESULT = -ALC B | i ALD A;AL7_ IIEjULT = AL JE ALU_ A;ALU-RESULT - ALU-B " ALU JU七ndendtiwd

29、lALU算术单元，加减乘除逻辑运算等等，都在这里计算。星1 fl峥IJ .U* 14 孑测试数据输入00000000000000000000000000000000（不操作）可得到如上图，CPUE确运行实验测试：（根据实验内容指令表格）0,1,2,3算术运算指令4,5,6逻辑运算指令7传送指令8,9存储器读/写指令10,11分支指令14停机指令指令序号oprsrtrdreserved000000000001000100001100000000000add$1$2$3$3=$1+$2=0100000100011001000000000000000011addi$3$4$4=$3+3=320000

30、0100100000100000000000001000addi$4$2$2=$4+8=11300001000010001000000100000000000sub$2$4$1$1=$2-$4=8401000000010001010000000000001000ori$2$5$5=$2|（上式）=11501000100001000100011000000000000and$1$2$6$6=$1&$2=8601001000001000100011100000000000or$1$2$7$7=$1|$2=11710000000111000000100000000000000move$7$z

31、ero$8$8=$7810011001000000010000000000000100sw$8$1RAM$8+4=$1910011100001010000000000000000100lw$1$8$8=01011000000001000100000000000000000beq$1$2$1!=$2,pc=pc+11111000000010001010000000000000001beq$2$5$2=$5,pc=pc+21200000100001000100000000000000001addi$1$2此指令被跳过1311111100000000000000000000000000halt停机0

32、.addeI21ta)限口2力阿CWDMMgmM抑CMgg时啪EMMQEMEOCWMO00g8a双08。网WOHOOGgOgOQE<?X5MOOQCDM3cle>MC口MQQORQt3gOMgMOM箕DO：制。加。&05抬OOCggCMCOMOMS也：OOC3M网此巾gOQQORQ。口。*：中0口口口XMMt仙50Q8d9时的b的配蛆l岫尤附眦&£lCc©tl&5tlg党白时忧心£|的£|g0111如加配1©时的时ftM配时的抵10的g(1时i3l!lEl!lC"M&M附力配的Cl型MECl

33、githM弁时的Cl的bOMClMOkDDDCoac-opocanc-Dcc二，k二山h。口匚。口comcoDacooczao:ODaDcao3ca<iGDaa&!：nonaocacddcopcicao>zdig>a:aa-zddcciiDnaciCDDCCQnc20c:«3fl-:-3t:ODgconcddcp：sqqdgl】ODMn&ODflCDQODGCt'DCOOOttDOOOMDflCOOQCODC-flO-OOOOflOSSCMMOQWOOClKQOCHg&OmUMM*OflCMOC"C>CODQClMDC

34、COOCSQOI'OQODCODGWDCODK'OOOO<hi，QDHaMDOMaMaKDaoofiwaMawama©M&&aMO08MMiHi4MCHa»ooiMMKDMMgo的mmumomoo40gKociooaociacma4DMDQCiOQHaoKiaMgliRM8n8agldqgqgOgDMOQ8ngMgOQgQimSO口8时gg4M0QM*DMMgQMMgOE加MQgSXM飒0nOmQWOMQMWQiWQOOQOKIQOg0X10加8口04口口8(13削。口800。口04000川。则gQggR口OCgg/MMCMMgUggg

35、OMMOO口04如。如83M4gm因为都为0,没有变化l.addi。123W1MBi08ia8l»<HMNi!WKOM«HK!K«0440(»»。的8100»044MlM4。800<12MM0的狐40口碗=1!19«1»«»!»185如00际08辆MOODMqgMWQWO(180=08烟030刎g00>加时0Mlg0sMgCwM80OO0Q<KlQMMQq网MgM8MQMMCg809CQQCi0ME9MMUOO口gMgtMNMOCOQQOWOQg。COH3DmD

36、OOQ0400(0OCWOOODDOiDOOgQOWOgQQgQ8QOOMgQ如OOOQgQQWKHQgQCWMGCOOgQMCIOCOCmiqcmCMCinCOtlOOtlOOaiiOdtlCrtlMCltOOtlOtHMtlOtClCllXJflCOOOMOGOflOOGflOaaCrtlMDflOOOOOlKCdDMflQdOflC<lOOOflOOafl03C<MClCO£?tlOfiMOOCdDM6lX<l<lOOOOOGCiOflC>OlflOaGiUIaKQogoaoQ4CMwmccQDcmQ«cgspg财qgqoaqQDOQoo

37、afMWMgagoqqwc19000000000000000000(109DDoo0gaapacQowowOosQCQoa帆1，QflCflQC。口OtH3l3QMOOG：咱C1亡tOUtCClACODC03DCOOi&OOK,3QODCO,GOCl？DC-'flOCODOCMlCDflQODWOOOfltlCOQODC'iDQM-'flOtiOO-?COOMCOMClOD'ODQCflCOQOS<hIB1MiftMMQaaM<MMD&CI40Mi!CKMHMM4>OdlOflOKn皿0ODqOMHHMHIXI408i3OOMO

38、MOM0MMMmM0M0MO040040011DMM旧旧0喇际0期5口椒阚限制0同酬MMMgO酬0»41»4”0*如上表，$4为32.addi91II-(hlOOOOOHHWqEq酗MOOmacmgQSOQO0gq际OOOQOOCl5g>OgOM<mOWiJ31go辆加网Mq附DBOQOOMg0890000(100QWOQO0railCJX5如期QgQSQSgMBDgQgmOW板加EMOODGOUOOg湎(KKIMg0巾。口80。口gMgQgQMQOOOqgMOO口3C4QC4000000DmC4«iChe'S时COMMbS£|(MC

39、O&M0b蚀ibiMHMOOM<llX)flC<©flOOOOOflOOflO(>aC<KlMClOflOOCHMnaiWXJCi久mgbMlMOOUClCl&Ogtl的OOflOOnOO&OatlMOMraiQxD0Q6O0DC4C二。QNGOOQCOQ0口。口WOQOQC0QC8QOOQgQ3qQOnC啦MOOQCOO口口2a.：.3COQCOQ£rDQQ&DOOeDiaapOQaOMQ8Q8Q000C口C<HQi0*110B'3Qt。世5AO3COODCO0C1002tOMDOACt-aCO5Qef

40、lfleoaMflO&aCO-DMClOflWSzCIMfiOaCOQCOOCt'flOtQOMfldflMCODCOMflOSfl&OflOOBCOflMOn!5MCM力蚀好的配加Cgbedb酬的帕加丽UMnW幅3眦加附加400»0441弊加DM晶n的口MQgMMCiMiCtalOOQMQWOgd8dMMmOHM4MoM)附0附0的1皿附020801降1啦呱1»HOHOWMmWQW6IDM04MggWSgMg08gOK04044的。808。3。8值0WQMCiM郎。13MgM3。8mgi：0«0D8Ma413g$2=$4+8=113.su

41、boi;1KI8KoMcIIMXKIWaimaKWIiaiinCHOiOMtlflMM»W9IOglK»MOeaMOtrunM4WHi8OgO0KO8陋MOCMHIM。NOM»0«D4m«KIQMaM0MDa<Ht>Ll6500时如。咖50020唾01。W叩ED。酗。的acwg汕MgOHXiMMMaM州aEgMgDgD际D辆5CKmM。时MMHMWJOgMMOEOM叩EDE0*9gOOMMMagDgDgaQgQOOMgQgQQgDMQMMgMgDMMgQMDD。8口。制gDM*Q网QgQgMBgOM。MMWg幅0阿QgQMQMQQ聃

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