xx大學(xué)計算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)四多周期MIPSCPU存儲器實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告

1、湘潭大學(xué)計算機(jī)原理 實(shí)驗(yàn)四 多周期MIPS CPU + 存儲器實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告實(shí)驗(yàn)四 多周期MIPS CPU +存儲器實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、深入理解MIPS-CPU指令系統(tǒng)的功能和工作原理；2、 掌握多周期CPU的工作原理和邏輯功能實(shí)現(xiàn)；3、熟練掌握用 Verilog HDL 語言設(shè)計多周期存儲器的 方法；4、熟練掌握對多周期存儲器的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和硬件測 試兩種調(diào)試方法；5、通過對多周期CPU的運(yùn)行情況進(jìn)行觀 察和分析，進(jìn)一步加深理解。二. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件：現(xiàn)代計算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Nios 32位嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺 EP1C12Q240Corei3-3240 CPU 的內(nèi)存 軟件：Quartu

2、sll Microsoft Windows xp三. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、設(shè)計一個32位MIPS多周期CPU ：口體的要求如卜:至少運(yùn)行下列的6類32條MIPS指令。 算術(shù)邏輯指令and、 sub、 addi邏輯運(yùn)算指令and、0r、 xor、 andi 、 ori 、 xori 位 移指令 sll 、 srl 、 sra 條件分玄扌旨令 beq、bne、 無條 件跳轉(zhuǎn)指令j、jr數(shù)據(jù)傳送指令lw、sw 2.設(shè)計一個 存儲器四. 實(shí)驗(yàn)原理與步驟實(shí)現(xiàn)上述原理框圖根據(jù)功能將其分劃分為控制單元(cunit)、執(zhí)行單元(eunit)、指令單元(iunit)以及存儲單元(munit)四大模塊。.控制單元(cun

3、it)足多周期微處理器的核心 控制微 處理器取指令、指令譯碼和指令執(zhí)行等工作。主要指令譯碼 器控制器(outputs control)、算術(shù)邏輯運(yùn)算控制器(ALUcontrol)兩 個子模塊組成。.執(zhí)行單元(eunit)主要寄存器堆(registers)和算術(shù)邏輯單元(ALU)兩個子模塊組成。其中寄存器是微處理器最基 本的兒索MIPS系統(tǒng)的寄存器堆32個32位寄存器組成而ALU則是微處理巖的主英功能部件 執(zhí)行加、減、比較等 算術(shù)運(yùn)算和與、或、或非、異或等邏輯運(yùn)算。指令單元(iunit) 的作用是決定下一條指令的地址PC伯o.存儲單元(munit)存儲器(memory)、指令寄存器 (instr

4、uction register)和存儲數(shù)據(jù)寄存 器(memory dataregister) 組成。五. 實(shí)驗(yàn)源代碼寄存器元件代碼：module regfile (rna,rnb,d,wn,we,clk,clrn,qa,qb);put 4:0rna,rnb,wn;input31:0d;inputwe,clk,clrn;output 31:0qa,qb;reg31:0register 1:31;assignqa :=(rna =二 0)0 :registerrna;assignqb =(rnb=0) 0 :registerrnb;always (posedge clk or negedge cl

5、rn) begin if(clrn = 0) begininteger i;for (i=1; ia4:0;4b1111:cal=$signed(b)a4:0;endcaseendfunction endmodule其他部件：module f (reg_dest,jal,wn);input 4:0reg_dest; inputjal; output 4:0 wn; assignwn = reg_dest | 5jal; endmodulemodule sa (di,dot); input4:0 di; output31:0dot; assign dot = 27b0,di; endmodule

6、module out4 (out); output31:0 out; assign out=32h4; endmodulemodule e (immin,sext,immediate,offset);input15:0 immin; inputsext; output 31:0immediate,offset; wiree = sext & immin15;wire 15:0 imm = 16e; assign offset =assignimm13:0,immin15:0,1b0,1b0;immediate = imm,immin15:0; endmodulemodule xxbine(ad

7、dress,pc,add);input25:0address;input3:0pc;output31:0add;assignadd =pc3:0,address25:0,1b0,1b0;endmodulemoduleconvertl(dain,sain,op,func,rs,rt,rd,imm,addr);input31:0 dain; output 4:0 sain,rs,rt,rd;output5:0 op,func; output 15:0 imm; output 25:0 addr; assign sain = dain10:6; assign op = dain31:26; assi

8、gn func = dain5:0; assign rs = dain25:21; assign rt = dain20:16;assign rd = dain15:11;assign imm =dain15:0;assignaddr =dain25:0;endmodulemodule convert2 (pc,pcout); input 31:0 pc; output 3:0 pcout; assign pcout = pc31:28;endmodule存儲器內(nèi)的測試數(shù)據(jù)：-Copyright (C) 1991-20XX Altera Corporation-Your use of Alte

9、ra Corporations design tools,logic functions - and other software and tools, and its AMPP partner logic - functions, and any output files from any of the foregoing - (including device programming or simulation files), and any -associated documentation or information are expressly subject - to the te

10、rms and conditions of the Altera Program License - Subscription Agreement, Altera MegaCore Function License - Agreement, or other applicable license agreement, including, - without limitation, that your use is for the sole purpose of- programming logic devices manufactured by Altera andsold by- Alte

11、raoritsauthorizeddistributors.Pleaserefer tothe -applicableagreement for further details.-Quartus II generated MemoryInitialization File (.mif)DEPTH= 64;%Memorydepth and width are requiredWIDTH =32;%Enter a decimal numberADDRESS_RADI)= HEX; -dress and value radixes are optional DATA_RADIX = HEX; %En

12、ter BIN, DEC, HEX, or OCT; unless %otherwise specified, radixes = HEXCONTENT BEGIN0.3F : 00000000; % Range-Every address from 0to 3F = 00000000 0 : 3c010000; % (00) main: lui r1,0 # address of data0 1: 34240080; %(04) ori r4,r1,0x80# address of data0 2 : 20XX0004; % (08)addi r5, r0, 4 # counter 3 :

13、0c000018; %(0c) call: jal sum # call function 4: ac820XX0; %(10) swr2, 0(r4) # store result 5 : 8c890000; % (14) lwr9, 0(r4) # check sw 6: 01244022; % (18) sub r8,r9, r4 # sub: r8 16 = ffff8000(arith) r8, r8, 15# 15 = 0001ffff(logic) finish # dead loopr8,r0, r0 # sumr9, 0(r4) # load datar4, 4 #addre

14、ss + 4r8, r8, r9 # sumr5, -1 # counter-1r5, r0, loop # finish r2, r8, 0 # move resultto v0 r31 # return% % % % % % % % % % % % % % % %六. EDA階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真結(jié)果如上圖。七. 測試時的電路總體結(jié)構(gòu)及其說明實(shí)驗(yàn)電路圖八. 測試計劃及其相關(guān)說明輸出說明：于引腳及輸出需要，故下表ir對應(yīng)ir31.O 且將顯示 高四位，pc對應(yīng)pc31.O 且將顯示低兩位，alu對應(yīng)alu31.O 且將顯示低兩位輸入 clockmem_clk pc 輸出 alu irclock

15、輸入 mem_clk pc 輸出 alu ir九. 關(guān)于實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計的其他說明于引腳及輸出需要，故只輸出ir、pc、aluir31.0切將顯示ir高四位，pc31.O低兩位，alu31.O 低兩 位,q、adr、fromm、a、b、tom 將不會輸出十.前期實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)，不僅加深了我對多周期CPU及存儲器相關(guān)知識的理解，而且?guī)椭约夯貞浐蛷?fù)習(xí)了單周期CPU方面的知識，比如如何用 Verilog HDL描述ALU模塊、一些數(shù)據(jù)選擇 器、符號擴(kuò)展電路、以及寄存器。實(shí)驗(yàn)四 多周期MIPS CPU +存儲器實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、深入理解MIPS-CPU指令系統(tǒng)的功能和工作原理；2、 掌握多周期CP

16、U的工作原理和邏輯功能實(shí)現(xiàn)；3、熟練掌握用 Verilog HDL 語言設(shè)計多周期存儲器的 方法；4、熟練掌握對多周期存儲器的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和硬件測 試兩種調(diào)試方法；5、通過對多周期CPU的運(yùn)行情況進(jìn)行觀 察和分析，進(jìn)一步加深理解。二. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件：現(xiàn)代計算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Nios 32位嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺 EP1C12Q240Corei3-3240CPU 的內(nèi)存 軟件：QuartusllMicrosoft Windows xp三. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、設(shè)計一個32位MIPS多周期CPU 具體的妥求如下：至少運(yùn)行下列的6類32條MIPS指令。算術(shù)邏輯指令and、 sub、 addi邏輯運(yùn)算扌旨令

17、 and、 0r、 xor、 andi 、 ori 、 xori 位 移指令sll、srl、sra條件分支扌旨令 beq、bne、無條 件跳轉(zhuǎn)指令j、jr 數(shù)據(jù)傳送指令lw、sw 2.設(shè)計一個 存儲器四. 實(shí)驗(yàn)原理與步驟實(shí)現(xiàn)上述原理框圖根據(jù)功能將其分劃分為控制單元(cunit)、執(zhí)行單元(eunit)、指令單元(iunit)以及存儲單元(munit)四大模塊。.控制單元(cunit)是多周期微處理器的核心 控制微 處理器取指令、指令譯碼和指令執(zhí)行等工作。主要指令譯碼 器控制器(outputs control)、算術(shù)邏輯運(yùn)算控制器(ALUcontrol)兩 個子模塊組成。.執(zhí)行單元(eunit)

18、主要寄存器堆(registers) 和算術(shù)邏輯單元(ALU)兩個子模塊組成。其中寄存器是微處理器最基 本的兒索MIPS系統(tǒng)的寄存器堆32個32位寄存器組成而ALU則是微處理器 的主戲功能部件 執(zhí)行加、減r比較等 算術(shù)運(yùn)算和與、或、或非、異或等邏輯運(yùn)算。指令單元(iunit) 的作用是決定下一條指令的地址PC值O.存儲單元(munit)存儲器(memory)、指令寄存器 (instruction register)和存儲數(shù)據(jù)寄存 器(memory dataregister) 組成。五. 實(shí)驗(yàn)源代碼寄存器元件代碼：module regfile (rna,rnb,d,wn,we,clk,clrn,q

19、a,qb);put 4:0rna,rnb,wn;input31:0d;inputwe,clk,clrn;output 31:0qa,qb;reg31:0register 1:31;assignqa =(rna =：=0)0 :registerrna;assignqb =:(rnb=0) 0 :registerrnb;always (posedge clk or negedge clrn) begin if(clrn = 0) begininteger i;for (i=1; i32;i=i+1) registeri = 0; end else beginif(wn != 0) & (we =

20、1)registerwn = d; endend endmodule32位四選一選擇器:module mux4x32 (a0,a1,a2,a3,s,y); input 31:0a0,a1,a2,a3; input 1:0 s; output 31:0 y;function 31:0 select; i叩 ut 31:0 a0,a1,a2,a3;put1:0 s; case (s)2b00: select = a0;2b01: select = a1;2b10: select = a2;2b11:select = a3; endcase endfunction assign y = select

21、 (a0,a1,a2,a3,s); endmoduler1-r31 /read /read /reset/write5位二選一選擇器：module mux2x5 (a0,a1,s,y);input 4:0a0,a1;input s; output4:0 y; assign y = s a1 : a0;endmodule32位二選一選擇器：module mux2x32 (a0,a1,s,y); input 31:0a0,a1;input s; output 31:0 y; assign y = s a1 : a0;endmodule存儲器元件:module mcmen(clk,dataout,

22、datain, addr, we, inclk,outclk); input 31:0 datain; input 31:0 addr;input elk, we, inclk, outclk; output 31:0 dataout;wire write_enable = we &clk; lpm_ram_dq ram(.data(datain),.address(addr7:2),.we(write_enable ),.inclock(inclk),.outclock(outclk),.q(dataout);defparam _width = 32; defparam _widthad =

23、 6;defparam _indata = defparam _outdata = defparam _file= defparam _address_control =endmodule控制部件：module mccu (op, func, z, clock, resetn, wpc, wir, wmem, wreg, iord, regrt, m2reg, aluc, shift, alusrca, alusrcb, pcsource, jal, sext, state); input 5:0op,func; input z, clock, resetn; output reg wpc,

24、wir, wmem,wreg, iord, regrt, m2reg; output reg 3:0 aluc; output reg 1:0 alusrcb, pcsource; output reg shift, alusrca, jal, sext; output reg 2:0 state;reg2:0 next_state;parameter2:0sif3b000,/IF statesid = 3b001,/ IDstatesexe = 3b010,/ EXE statesmem3b011,/ MEM stateswb = 3b100;/ WBstatewirer_type,i_ad

25、d,i_sub,i_and,i_or,i_xor,i_sll,i_srl,i_sra,ir;wirei_addi,i_andi,i_ori,i_xori,iw,i_sw,i_beq,i_bne,i_lui,i_j,i_jal;and(r_type，op5，op4，op3，op2，op1，op0)；and(i_add,r_type,func5,func4,func3,func2,func1,funcO )；func5,func4,func3,func2, func1,funcO);func5,func4,func3,func2,func1,funcO);func5,func4,func3, fu

26、nc0);func5,func4,func3, func1,funcO);and(i_sub,r_type, and(i_and,r_type, and(i_or,r_type,func2,func1,and(i_xor,r_type,func2,and(i_sll,r_type,func5,func4,func3,func2 ，func1,funcO);and(i_srl,r_type,func5,func4,func3,func2,func1,funcO);an d(i_sra,r_type，fun c5,fun c4,fun c3,fun c2,func1,funcO);and(i_jr,r_type，fun c5,fun c4,fun